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Adsorption and desorption processes on polymers in aquatic systems

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[Quelle: http://d-nb.info]

Das Sorptionsverhalten von hochdichtem Polyethylen (HDPE) und einigen anderen Kunststoffen in der aquatischen Umwelt mit nicht-ionischen organischen Verbindungen wurde bisher nur teilweise untersucht. Eine systematische Herangehensweise, um die Sorptionseigenschaften für ein großes Substanzset zu bestimmen, existiert bisher nicht. Durch das immer weiter steigende Interesse an Kunststoffen in Wasser, speziell aufgrund der Thematik um Mikroplastik (MP) oder den "Müllstrudeln" in den Ozeanen, ist das Abschätzen des Sorptionsverhaltens von Kunststoffen in Wasser von großem Interesse. Dies ist nicht nur der Fall für HDPE, sondern auch für andere Kunststoffe wie Polystyrol (PS), niedrigdichtem Polyethylen (LDPE) oder Polyacrylat (PA). Zu diesem Zweck ist das Ziel der Arbeit eine systematische Untersuchung des Sorptionsverhaltens ausgewählter Kunststoffe in der wässrigen Umwelt mithilfe einiger Modellsubstanzen. Batchexperimente mit HDPE, welches für den Bau von Trinkwasserleitungen verwendet wird, und ausgewählten Modellsubstanzen wurden in einem Drei-Phasen-System (Luft/HDPE/Wasser) durchgeführt. Der gewählte Konzentrationsbereich verlief dabei über drei Dekaden, beginnend bei zwei Dekaden unterhalb der wässrigen Löslichkeit der Sorbate. Die Sorption innerhalb dieses Konzentrationsbereichs war nichtlinear, und das Freundlich-Modell wurde verwendet, um diese Nicht-Linearität zu berücksichtigen. Eine multiple Regressionsanalytik (MRA) mithilfe der bestimmten Verteilungskoeffizienten und Literatur-Deskriptoren der Sorbate lieferten ein robustes Modell nach der Poly-Parameter-linearfreien Energiebeziehung (ppLFER-Modell) bei allen drei Konzentrationsbereichen. Das Sorptionsverhalten anhand des berechneten ppLFER-Modells in diesem Bereich war abhängig von der Dichte und Kristallinität des Kunststoffes. Das Abschätzen der Verteilungskoeffizienten mithilfe des ppLFER-Modells war zudem wesentlich genauer als das Abschätzen anhand eines Ein-Parameter-Modells (spLFER). Ein direkter Vergleich von experimentellen, abgeschätzten und Literaturdaten demonstrierte die Stärke des ppLFERModells. Sorptionsdaten für PS wurden anhand des gleichen experimentellen Vorgehens bestimmt, jedoch wurden die Daten mithilfe weiterer Sorptionsmodelle ausgewertet. Das Sorptionsmodell nach Freundlich lieferte die robustesten Daten und zeigte, dass die Sorption an PS nichtlinear verlief und Absorption der dominierende Sorptionsmodus ist. Die bestimmenden Sorptionseigenschaften bei Sorption an PS sind nicht-spezifische und spezifische Interaktion. Dabei werden die spezifischen Interaktionen größtenteils von der Bipolarität/Polarisierbarkeit beeinflusst. Dabei spielen größtenteils die aromatischen Pi-Pi-Wechselwirkungen von PS und den Sorbaten eine Rolle. Wie mit anderen unpolaren Kunststoffen wird die Sorption an PS ebenso von hydrophoben Wechselwirkungen beeinflusst. Eine neuartige experimentelle Methode zur Bestimmung von Sorptionskoeffizienten ist die inverse Flüssigchromatografie (ILC), welche für den HDPE-Kunststoff verwendet wurde. Dies ist eine der ersten Studien, die das Sorptionsverhalten eines umweltrelevanten Kunststoffes mit Hilfe der ILC untersuchen. Die gepackte ILC-Säule generierte robuste und vergleichbare Daten zu den Batchexperimenten, und es konnten die die Sorptionseigenschaften von gealtertem HDPE in salzhaltigem und salzfreiem Wasser untersucht werden. Die Sorptionsstärke von unpolaren Substanzen änderte sich im Vergleich zu neuem HDPE nicht, wohingegen sich die Sorptionsstärke für polare Substanzen signifikant reduzierte. Die ionische Stärke des Eluenten hatte hingegen keinen signifikanten Einfluss auf polare oder unpolare Substanzen. Generell zeigte die Untersuchung mithilfe des ILC-Ansatzes eine elegante Alternative, um Sorptionseigenschaften in umweltrelevanten Umgebungen zu untersuchen und zeigte eine vielversprechende Alternative zu Batchexperimente. Die Arbeit demonstrierte, dass ein systematischer Ansatz zur Untersuchung des Sorptionsverhaltens mithilfe von Modellsubstanzen einen robusten Einblick in die molekularen Interaktionen von Kunststoffen in der wässrigen Umwelt liefert. Ebenso zeigte die Bestimmung von Sorptionseigenschaften mithilfe des ILC-Ansatzes eine robuste, variable und einfache Alternative.

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Flexible Verbundmaterialien in Architektur, Bauwesen und Innenarchitektur
2013, 232 S., 200 b/w and 300 col. ill. 280 mm, Hardcover
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Mit den heutigen Erfordernissen, Bauwerke gegen Witterungseinflüsse und Nutzungsbeanspruchungen zu schützen, sind die Anforderungen an Anstriche und Beschichtungen bei Planung, Werkstoffherstellung und Anwendung deutlich größer geworden. Dieses Buch, jetzt in vollständig aktualisierter und erweiterter 2. Auflage, gibt einen Überblick über die wichtigsten Beschichtungsstoffe, ihre Zusammensetzung und Eigenschaften, die wichtigsten Anwendungsregeln sowie ihre Verhaltensweisen unter praktischen Beanspruchungsbedingungen. Anhand von Schadensbeispielen werden Ursachen und Mechanismen des Versagens von Anstrichen und Beschichtungen erläutert und daraus diejenigen Planungs- und Verarbeitungsfehler abgeleitet, die es zu vermeiden gilt. Einen besonderen Raum nehmen visuell nicht erkennbare Mängel ein, die nur auf analytischem bzw. technologischem Weg feststellbar sind.

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Rolf P. Gieler, Andrea Dimmig-Osburg
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Neben traditionellen und bewährten Baustoffen wie Holz, Stahl, Beton und Mörtel sind Kunststoffe eine sehr junge, aber extrem vielschichtige Baustoffgruppe mit vielfältigen, positiven und oft außergewöhnlichen Eigenschaften. Leider werden sie vielfach mit großer Skepsis betrachtet, die eigentlich nur der Unsicherheit im Umgang mit Kunststoffen geschuldet ist. Dieses Buch soll dazu beitragen, diese Zurückhaltung zu überwinden. Der bogen spannt sich von den verschiedenen Arten der Polymere und ihren Bildungsreaktionen, Strukturen und grundsätzlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften, bis hin zu detaillierten Betrachtungen der Anwendung der Kunststoffe für Werkstoffe im Bautenschutz sowie in der Betoninstandsetzung. Ausführlich wird auf die baupraktischen Belange eingegangen, wie Planung, geeignete Auswahl der Kunststoff-Werkstoffe unter den Kriterien ihrer Anwendung, sowie Details der Ausführung. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der immer wieder betrachtet wird, ist das Vermeiden von Bauschäden. Das buch richtet sich an Studierende und alle, die auf dem Gebiet des Bauwesens tätig sind.

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Bei der Bewertung von Baustoffen müssen heute eine Vielzahl neuer Kriterien Beachtung finden. Neben den weiterhin relevanten technischen und ökonomischen Faktoren Festigkeit, Haltbarkeit, Verarbeitbarkeit und Preis-Leistungsverhältnis werden in zunehmendem Maße umweltrelevante Kriterien wie Ozongefährdung, Ressourcenverbrauch sowie eventuelle gesundheitliche Risiken bei Herstellung, Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung der Materialien in Betracht gezogen. Die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Bewertungskriterien soll dazu führen, daß neben einer vor allem ökonomischen Beurteilung von Bauteilen und Baustoffen eine, durch Ökobilanzen gestützte, ökologische Bewertung möglich ist. Die Mehrzahl der Bauprodukte in dieser Studie kam vor über 20 Jahren zum Einsatz, zu einer Zeit also, in der hauptsächlich die technischen Eigenschaften und der Kaufpreis zur Bewertung und Auswahl der Materialien herangezogen wurden. Primär ist die Studie darauf ausgerichtet, das Langzeitverhalten einer kritischen Prüfung zu unterziehen. Die Menge der hier betrachteten und zur Bewertung herangezogenen Anwendungen ist jedoch nicht groß genug, um eine statistisch fundierte Aussage über das Langzeitverhalten aller gleichartigen Bauanwendungen zu treffen. Vielmehr ist diese Arbeit eine "Momentaufnahme" verfügbarer, wissenschaftlich fundierter Informationen.

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Forschungsberichte

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C. Könke, J. P. Bergmann, M. Ganß, J. Hildebrand, M. Kuhne, S. Hammer, Y. Ali
Zustandsmonitoring von mit Kohlefaserlamellen verstärkten Stahlverbindungen unter Einsatz integrierter Fasersensorik. Intelligentes CFK-Pflaster. Abschlussbericht
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Ein neuer Ansatz zur Ertüchtigung von Stahlkonstruktionen ist die klebetechnische Applikation von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). In die Klebverbindung integrierte sehr dünne faseroptische Sensoren können hier helfen neue Detailkenntnisse zu den Verbundeigenschaften insbesondere zu dem Klebfugenverhalten unter komplexen Umgebungsbedingungen und Belastungen zu erlangen. Die Untersuchungen an den Stahl-CFK-Klebverbindungen und CFK-verstärkten Bauteilen mit in der Klebfuge integrierten faseroptischen Sensoren verdeutlichen, dass während der mechanischen und thermisch-hygrischen Belastung der Stahl-CFK-Klebverbindungen sehr genau und ortsauflösend lokale Dehnungen sowie inhomogene Dehnungszustände in Sensorfaserrichtung in der Klebfuge ermittelt werden können. Mit der Fasersensorik können somit tatsächliche Dehnungszustände und eine Schädigung des Verbundes in Form einer Delamination ortsaufgelöst und in Echtzeit detektiert werden. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern somit einen neuen Ansatz für die Optimierung von strukturellen Klebverbindungen auf Basis einer Detailanalyse der Klebfugen.

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Matthias Pahn, Arnaud Pavis d'Escurac
Tragverhalten von schlanken Sandwichelementen mit GFK-Verbindungsmitteln unter Vertikallast
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3009
2017, 99 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Bemessung von Sandwichelementen unter vertikaler Last kann der stabilisierende Einfluss der Vorsatzschale einschließlich der Verbindungsmittel und der Kernschicht auf das Tragverhalten der Tragschale nicht berücksichtigt werden, weil entsprechende Bemessungsmodelle nicht vorliegen. Eine Berücksichtigung der tatsächlichen Biegesteifigkeit ist aber gerade bei schlanken und damit knickgefährdeten Sandwichwänden äußerst sinnvoll. Deshalb untersuchte das Projekt den Einfluss von Vorsatzschale und Kernschicht auf die Stabilität von Sandwichwänden. Als Verbindungsmittel zwischen der Vorsatzschale und der Tragschale wurden sowohl horizontale und diagonale Stäbe aus glasfaserverstärktem Kunststoff als auch Gitterträger aus Stahl verwendet. Es wurden aussichtsreiche Ansätze für eine wirtschaftlichere Bemessung von schlanken Sandwichfassadenbauteilen erarbeitet.

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Ingo Kurzhöfer
Stationäre und instationäre finite Element Analysen zur Erfassung des solaren Temperatureinflusses auf schalenförmige, zylindrische Thermoplastbehälter. Abschlussbericht
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2016, 66 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zum Nachweis der Standsicherheit von schalenförmigen, zylindrischen Thermoplastbehältern ist es notwendig, bei Außenaufstellung die Temperatureinwirkung durch Sonneneinstrahlung in geeigneter Form mit zu berücksichtigen. Die Begründung liegt in der ausgeprägt starken Temperaturabhängigkeit der thermomechanischen Eigenschaften der verwendeten thermoplastischen Werkstoffe sowie in Zwangseinwirkungen aus behinderten Temperaturdehnungen.

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Ulrich Book, Frank Huppertz, Jürgen Neisecke
Entwicklung von verlässlichen Prüf- und Bewertungskriterien für das Verschleißverhalten und die Dauerhaftigkeit rissüberbrückender OS-Beschichtungen für befahrbare Betonflächen
Bauforschung, Band T 3208
2015, 102 S., zahlr. Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Beim Neubau und bei der Instandsetzung frei bewitterter Parkdecks werden als Betonschutz häufig rissüberbrückende Beschichtungssysteme verwendet. Für diesen Anwendungsfall kommen vor allem flexible Polyurethanharz- oder Polyurethan-Epoxidharzkombinationen zum Einsatz. Diese Werkstoffe besitzen niedrige E-Moduln und hohe Reißdehnungen und sind somit sehr flexibel und weich eingestellt. Trotzdem findet man bei solchen Beschichtungssystemen in der Praxis häufig - vor allem in mechanisch hoch belasteten Bereichen, wie z. B. Kurven, Auffahrten, Rampen und Spindeln - immer wieder typische Verschleißschäden in Form von Rissen und Schichtdickenabbau bis hin zum völligen Versagen des gesamten Oberflächenschutzsystems. Das Verschleißverhalten dieser befahrenen, rissüberbrückenden OS-Systeme hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Beanspruchungs- und Werkstoffparameter ab. Bisherige Prüfverfahren, die die Befahrbarkeit eines Bodens simulieren, beruhen hingegen noch stark auf Empirie sowie auf den jeweiligen Erfahrungen von Herstellern und Anwendern derartiger Systeme. Es ist daher davon auszugehen, dass zurzeit keine allgemein gesicherte Prüfmethode verfügbar ist, welche weder die Dauerhaftigkeit in Bezug auf die Beanspruchung aus dem Fahrverkehr zuverlässig nachweisen kann noch irgendwelche praxisrelevanten Aussagen zum Verschleißverhalten während der Verkehrsbelastung ermöglicht. In dem vom DAfStb geförderten Forschungsvorhaben sollte daher nach einer detaillierten Vorstudie grundsätzlich geklärt werden, wie und unter Nutzung von welchem der bisherigen Prüfverfahren sowohl die Größe des Verschleißes als auch - als ganz wesentliche Erkenntnis - dessen zeitlicher Verlauf an OS-Systemen zerstörungsfrei ermittelt und dokumentiert werden können.

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Jürgen Ruth, Rainer Gumpp, Christian Heidenreich
Aktive Faser-Verbundwerkstoffe für Adaptive Systeme. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2801
2012, 189 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Bauwesen werden 50 Prozent des weltweiten Energieverbrauches und ein Großteil der weltweiten Rohstoffvorkommen eingesetzt. Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung von ressourcenschonenden und energieeffizienten Bauweisen, Materialien und Technologien dringend notwendig. Einen möglichen Ansatz stellt die Leichtbauweise mit entsprechenden Leichtbaumaterialien, wie z. B. hochfesten Stählen und Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) dar. FVK`s werden seit den 1950er Jahren im Bauwesen eingesetzt. Die Produktion entsprechender Profile ist aufgrund des Strangziehverfahrens (Pultrusionsverfahren) als Großserienproduktion möglich. Des Weiteren ermöglicht die Herstellung von FVK aus Fasern und entsprechendem Matrixmaterial eine genaue Anpassung des Materials und Profils an die Einflussfaktoren. Durch die gezielte Anpassung von Materialien und Strukturen an den Kraftverlauf lassen sich materialoptimierte Systeme erstellen. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien ist im Hinblick auf das geringe Gewicht und Dämpfungsvermögen jedoch kritisch zu betrachten. Zu typischen Problemen zählen u. a. die Schwingungsanfälligkeit und große Verformungen infolge dynamischer Belastungen, wie Wind, Erdbeben oder Fußgängerverkehr. Ebenso stellt das hohe Kriechvermögen eine Herausforderung an die konstruktive Ausbildung derartiger Profile dar. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, Wege aufzuzeigen, wie man die Vorteile des Leichtbaus nutzen kann und unter Zuhilfenahme von innovativen Techniken die derzeitigen Einsatzgrenzen aufheben kann. Einen derartigen Ansatz stellt die Integration von aktiven Systemen in Faserverstärkte Kunststoffe dar. Hierbei werden die Vorteile der FVK genutzt und durch einweben, bzw. Einlaminieren aktiver Fasern adaptive, selbstregelnde Systeme erzeugt. Auf diese Weise können die Material- und Systemeigenschaften individuell an die jeweilige Belastungs- und Umgebungssituation angepasst werden. Die Materialforschung hat in den letzten Jahren verschiedene intelligente (smarte) Materialien hervorgebracht. Hier

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Brunner, Susanne; Pamplona, Marisa; Putz, Andreas
Zum Wert von Polymethylmethacrylat. Erhaltungsstrategien für transparentes Acrylglas im Außenraum
Die Denkmalpflege, 2020

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Rupprich, Gundolf; Bernhardt, Frank
Fußgängerbrücke aus Kunststoff - ein Pilotprojekt. Kunststoffbrücke bei Schwerin (kostenlos)
Brückenbau, 2020

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Hofmann, Sebastian; Proske, Tilo; Graubner, Carl?Alexander
Verbundverhalten besandeter basaltfaserverstärkter Kunststoffbewehrung
Beton- und Stahlbetonbau, 2020

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Below, Heiko; Thölert, Matthias
Bestimmung von Dauerbetriebstemperatur und Restlebensdauer von KMR
Euroheat & Power, 2020

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Beck, Patrick T. J.; Tichelmann, Karsten Ulrich
Ethylen-Tetrafluorethylen-Folien unter Dauerlast. Ein Modell zur Charakterisierung des Retardationsverhaltens unter Berücksichtigung der Beanspruchungshöhe und der Temperatur
Stahlbau, 2020

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