Name: In Situ Tribológicas de polímeros comunes utilizados en la infraestructura de suministro de hidrógeno de hidrógeno de alta presión (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-31T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 1 s
Description: Aprende a evaluar propiedades tribológicas de polímeros en infraestructura de hidrógeno a alta presión. Este método mide fricción y desgaste de elastómeros para diseñar sellos dinámicos seguros.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Esta investigación fue realizada en el laboratorio nacional del Noroeste Pacífico (PNNL), que es funcionada por Battelle Memorial Institute para el Departamento de energía (DOE) bajo contrato no. DE-AC05-76RL01830.

El experimento descrito aquí requiere el uso de gas de hidrógeno que es inodoro, incoloro y por lo tanto no detectable por los sentidos humanos. Hidrógeno es altamente inflamable y quema con un azul casi invisible de la llama y puede formar mezclas explosivas en presencia de oxígeno. Altas presiones por encima de 6,9 MPa añadir explosiones adicionales que deben ser previstas adecuadamente en la preparación para cualquier prueba. Esta cantidad de energía almacenada representa un peligro de seguridad grave y por lo tanto, due diligence, planificación y seguridad evaluación se debe realizar antes de realizar tal experimento para asegurar que estos riesgos son mitigados. El experimento aquí presentado se realiza conforme a las precauciones de seguridad apropiadas en un recipiente de presión certificado de la sociedad americana de ingenieros mecánicos (ASME) con un disco ajustado a 34.5 MPa con una ventilación adecuada.
1. preparación de polímero hoja Stock
<ol><li>Aplique el detergente sobre el stock de hoja de polímero EPDM con una esponja no abrasiva y enjuáguelo con agua aproximadamente 3 min eliminar aceites y talco polvo aplicado durante la fabricación y proceso de envío.</li>
	<li>Secar hojas de polímero en un horno de secado en un 85% de la temperatura de trabajo del material, aproximadamente de 75 ° C para EPDM, aproximadamente 72 horas en coche de cualquier resto de agua de lavado.</li>
	<li>Apagar el horno y dejar que stock material de hoja de polímero que se enfríe a la temperatura interior del horno.</li>
	<li>Marque un rincón de la población de hoja con una flecha apuntando a la parte superior de la hoja de polímero. Esta flecha le ayudará a identificar la orientación de la hoja durante la generación de cupón de muestra, asegurando que las muestras cortadas de la lámina de polímero será consistentemente de la misma orientación.</li>
	<li>Guarde la hoja común de polímero a una temperatura, ambiente controlado de humedad cerca de 25% de humedad relativa antes de pruebas tribológicas.</li>
</ol>2. generación y montaje de la muestra cupones
<ol><li>Usando polvo de guantes, marca la acción de la hoja de polímero con una flecha en la zona de cupón previsto cerca de la flecha marcada durante la preparación de la acción de la hoja de polímero que ambas flechas tienen la misma orientación.</li>
	<li>Con un troquel circular 2,222 cm de diámetro y un mazo, acabar con un cupón de muestra alrededor de la marca de la flecha.</li>
	<li>Afloje los tornillos de cabeza hexagonal, apriete la abrazadera de muestra en el tribómetro en situ , retire el tornillo hexagonal y la precisión del resorte desde la esquina más fácilmente accesible de la abrazadera de la muestra.</li>
	<li>Cupón de muestra de diapositiva en la abrazadera de la muestra, teniendo cuidado de asegurarse de que la muestra está orientada con la flecha apuntando cara abajo y hacia atrás de la mordaza que es el lado más cercano a la placa de respaldo del tribómetro.</li>
	<li>Vuelva a colocar el resorte de la precisión y el tornillo hexagonal en la esquina vacía de la muestra de la abrazadera y proceden a mano apriete los cuatro tornillos de cabeza hexagonal de la pinza hasta el tope que la muestra del elastómero es comprimida por el 10% de su altura original. Asumiendo una altura de muestra de 0,318 cm, 10% compresión se logra mediante el uso de un bloque de calibrador de 0,287 cm entre las dos placas de la abrazadera.</li>
</ol>3. preparar el tribómetro In Situ
<ol><li>Lugar un 2,413 cm de calibre entre la pared del tribómetro y el trineo de la muestra, directamente debajo del tornillo de la impulsión. Asegúrese de que la caja de colección de datos está apagado, girar a la cadena motriz en un movimiento hacia la derecha para el trineo de muestra tal que el borde del trineo es 2,413 cm de la pared del tribómetro.</li>
	<li>Limpie suavemente la bola de acero de la superficie del mostrador con un paño suave o toalla de papel menos pelusa y un solvente apropiado tal como acetona durante aproximadamente 30 segundos hasta que la superficie del contador aparezca libre de cualquier escombro.</li>
	<li>Deslice el portador superficie mostrador de bronce y bronce peso, una carga normal total de 7.5 N, sobre el carril perpendicular al patín de la muestra, permitiendo que la bola de contador entre en el ojo de la cerradura y descansar en la muestra de polímero.</li>
	<li>Usando una llave hexagonal y tornillos de bronce, vuelva a colocar el brazo de medición transformador diferencial variable lineal (LVDT) en el soporte superficie de bronce contador tal que el cilindro libremente flotante de lo LVDT se apoya en el brazo.</li>
	<li>Ajuste la abrazadera sosteniendo el LVDT en lugar o abajo que el LVDT mide cerca de su punto cero apriete la abrazadera para asegurar el LVDT en lugar.</li>
	<li>Baje el conjunto del tribómetro en el recipiente de presión, asegurando que la vaina en el reborde superior de la vasija disminuirá en el boquete entre el tribómetro y la pared del vaso.</li>
	<li>Envuelva el sellado o-ring con un total de dos capas de cinta de PTFE. Esto se logra envolviendo la cinta PTFE que cada abrigo adicional traslapa aproximadamente la mitad de la vuelta de proceder hasta recorrer dos veces el diámetro de la junta tórica. Luego Envuelva el diámetro de la junta tórica un tiempo final sin ningún solapamiento. Una vez que la junta tórica, colóquela en la ranura en el borde de la vasija de presión.</li>
	<li>Teniendo en cuenta las etiquetas de cableado, vuelva a conectar los cables de alimentación de cinco para el tribómetro motor, cuatro cables de datos para la celda de carga y cinco cables de datos para el LVDT.</li>
</ol>4. sellado del recipiente de presión
<ol><li>Baje la pestaña superior de la vasija de presión para cerrarla, procurando para disminuir la brida superior suavemente en el PTFE envueltos junta tórica de sellado.</li>
	<li>Inserte los pernos en los orificios numerados en la pestaña superior indicado por el fabricante en orden ascendente hasta los dedos.</li>
	<li>Utilizando una llave hexagonal manual, apriete los pernos de la brida en orden ascendente a mano apretada y repita hasta que ya no se pueden apretar los pernos.</li>
	<li>A partir de 120 Nm y aumentar en incrementos de 40 Nm, utilice una llave de par de torsión de los pernos de la brida ascendente para cada incremento de ~ 40 Nm hasta que ellos se encuentren apretados a 280 Nm.</li>
</ol>5. llena el recipiente de presión
<ol><li>Ahora que se sella el recipiente de presión, conectar las conexiones de gas a la tapa de la autoclave y enjuague el recipiente de presión con gas argón a baja presión (~0.55 MPa) durante aproximadamente 1 hora hasta que el contenido en oxígeno de la nave desciende por debajo de 10 ppm con un sensor de oxígeno conectado en la salida de la vasija de presión.</li>
	<li>Lentamente (< 0,25 MPa/s) enjuague el recipiente con el gas hidrógeno hasta 6,9 MPa, entonces lentamente ventear el gas a presión atmosférica. Repita el proceso de lavado dos veces más.</li>
	<li>Después del lavado del recipiente de presión, lentamente (< 0,25 MPa/s) Llene el recipiente de presión con hidrógeno hasta 13,75 MPa y deje el vaso reposar 10 min que equilibra la temperatura del gas en el recipiente a temperatura ambiente.</li>
	<li>Llenar el vaso a 20,7 MPa y esperar otros 10 minutos.</li>
	<li>Llevar el buque hasta la meta 27.6 MPa y cierre de las válvulas.</li>
	<li>Permita que la muestra de polímero en remojo durante al menos 12 h en el gas de hidrógeno antes de iniciar el experimento para permitir la penetración completa.</li>
</ol>6. ejecución del experimento
<ol><li>Comprobar que todos los cables paso saliendo del recipiente de presión están correctamente conectados al arnés de cableado con unido a la caja de control del tribómetro y luego encienda el tribómetro.</li>
	<li>En el tribómetro software ajustar el tiempo de experimento a 1 hora en 0.1 velocidad cm/s con una longitud de ruta de 0,140 cm. Esto corresponde a una distancia aproximada de 3,5 m.</li>
	<li>Tara la celda de carga y asegúrese de que el LVDT es informar una adecuada profundidad en el software del tribómetro que debe estar cerca de 0 mm.</li>
	<li>Iniciar el experimento.</li>
</ol>7. post-experimento
<ol><li>Una vez que ha completado el experimento, ventile lentamente el recipiente de presión de gas de hidrógeno en aproximadamente 0.35 MPa/s, asegurando que la temperatura del recipiente de presión descienda por debajo de 0 ° C.</li>
	<li>Por último, lave el volumen del recipiente de presión con gas de argón a presión atmosférica durante 10 minutos para asegurar que no hay ningún hidrógeno restante en el recipiente.</li>
</ol>

<ol><li>Schlapbach, L. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/460809a">Technology: Hydrogen-fuelled vehicles.</a> Nature. 460 (7257), 809-811 (2009).</li>
<li>Jones, R., Thomas, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJones%2C+R+%22Materials+for+the+Hydrogen+Economy%22">Materials for the Hydrogen Economy</a>. , CRC Press. Boca Raton. (2007).</li>
<li>Barth, R., Simons, K. L., San Marchi, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBarth%2C+R+%22Polymers+for+Hydrogen+Infrastructure+and+Vehicle+Fuel+Systems%3A+Applications%2C+Properties%2C+and+Gap+Analysis%22">Polymers for Hydrogen Infrastructure and Vehicle Fuel Systems: Applications, Properties, and Gap Analysis</a>. , October 23-34 (2013).</li>
<li>Marchi, C., Somerday, B. P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMarchi%2C+C+%22Technical+Reference+on+Hydrogen+Compatibility+of+Materials%22">Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials</a>. Ref, M. T. , No. code 8100 (2008).</li>
<li>Welch, A., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWelch%2C+A+%22Challenges+in+developing+hydrogen+direct+injection+technology+for+internal+combustion+engines%22">Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines</a>. , SAE International, Paper No. 2008-01-2379 (2008).</li>
<li>Fukai, Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFukai%2C+Y+%22The+Metal-Hydrogen+System%22">The Metal-Hydrogen System</a>. , Springer: Verlag. Berlin Heidelberg. (2005).</li>
<li>Lu, G., Kaxiras, E. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.94.155501">Hydrogen embrittlement of aluminum: The crucial role of vacancies.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (15), 155501(2005).</li>
<li>Zhao, Z., Carpenter, M. A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1927690">Annealing enhanced hydrogen absorption in nanocrystalline Pd∕AuPd∕Au sensing films.</a> J. Appl. Phys. 97 (12), 124301(2005).</li>
<li>Alvine, K. J., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.3517445">High-pressure hydrogen materials compatibility of piezoelectric films.</a> Appl. Phys. Lett. 97 (22), 221911(2010).</li>
<li>Alvine, K. J., et al. <a target="_blank" href="https://www.nist.gov/publications/hydrogen-species-motion-piezoelectrics-quasi-elastic-neutron-scattering-study">Hydrogen species motion in piezoelectrics: A quasi-elastic neutron scattering study.</a> J. Appl. Phys. 111 (5), 53505(2012).</li>
<li>Aggarwal, S., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.122339">Effect of hydrogen on Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric capacitors.</a> Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).</li>
<li>Ikarashi, N. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.122333">Analytical transmission electron microscopy of hydrogen-induced degradation in ferroelectric Pb(Zr, Ti)O3Pb(Zr, Ti)O3 on a Pt electrod.</a> Appl. Phys. Lett. 73 (14), (1998).</li>
<li>Castagnet, S., Grandidier, J., Comyn, M., Benoı, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319910008578">Hydrogen influence on the tensile properties of mono and multi-layer polymers for gas distribution.</a> Int. J. Hydrog. Energy. 35, 7633-7640 (2010).</li>
<li>Theiler, G., Gradt, T. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X1500239X">Tribological characteristics of polyimide composites in Hydrogen environment.</a> Tribol. Int. 92, 162-171 (2015).</li>
<li>Sawae, Y., et al. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1638174">Friction and wear of bronze filled PTFE and graphite filled PTFE in 40 MPA hydrogen gas.</a> Proceed. , IJTC2011 249-251 (2011).</li>
<li>Fujiwara, H., Ono, H., Nishimura, S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319914032406">Degradation behavior of acrylonitrile butadiene rubber after cyclic high-pressure hydrogen exposure.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 40 (4), 2025-2034 (2015).</li>
<li>Zhang, L., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319913000633">Influence of low temperature prestrain on hydrogen gas embrittlement of metastable austenitic stainless steels.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 38 (25), 11181-11187 (2013).</li>
<li>Weber, S., Theisen, W., Martı, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319913005612">Development of a stable high-aluminum austenitic stainless steel for hydrogen applications.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 38 (14), 5989-6001 (2013).</li>
<li>Papavinasam, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPapavinasam%2C+S+%22Corrosion+control+in+the+oil+and+gas+industry%22">Corrosion control in the oil and gas industry</a>. , Elsevier. (2013).</li>
<li>Yamamoto, S. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/matertrans/45/8/45_8_2647/_article">Hydrogen Embrittlement of Nuclear Power Plant Materials.</a> Mat. Trans. 45 (8), 2647-2649 (2004).</li>
<li>Rymuza, Z. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1644966512602350">Tribology of polymers.</a> Arch. Civ. Mech. Eng. 7 (4), 177-184 (2007).</li>
<li>Mckeen, L. W. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/book/9780323442015">1 Introduction to Fatigue and Tribology of Plastics and Elastomers</a>. , Second, Elsevier Inc. (2010).</li>
<li>Lorge, O., Briscoe, B. J., Dang, P. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386198005278">Gas induced damage in poly(vinylidene fluoride) exposed to decompression.</a> Polymer. 40, 2981-2991 (1999).</li>
<li>Sawae, Y., Yamaguchi, A., Nakashima, K., Murakami, T., Sugimura, J. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1605418">Effects of Hydrogen Atmosphere on Wear Behavior of PTFE Sliding Against Austenitic Stainless Steel.</a> Proceed. , IJTC2007 1-3 (2008).</li>
<li>Sawae, Y., Nakashima, K., Doi, S., Murakami, T., Sugimura, J. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1648560">Effects of high pressure hydrogen on wear of PTFE and PTFE composite.</a> Proceed. , IJTC2009 233-235 (2010).</li>
<li>Duranty, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+in+situ+tribometer+for+measuring+friction+and+wear+of+polymers+in+a+high+pressure+hydrogen+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">An in situ tribometer for measuring friction and wear of polymers in a high pressure hydrogen environment.</a> Rev. Sci. Instrum. 88 (9), (2017).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Ex situ las técnicas actuales de pruebas tribológicas de los materiales de polímero requieren muestras ser expuestos al hidrógeno de alta presión que luego se despresurizaron antes de ser probado con un tribómetro comercial. 15 , 24 , 25 la metodología de prueba de este protocolo fue diseñada para permitir la comprobación de las propiedades tribológicas de muestras de polímero en un ambiente de alta presión in situ<...

En los últimos años, ha habido gran interés por el hidrógeno como una emisión potencial cero o casi cero emisiones combustible en fuentes estacionarias y en vehículos. Puesto que el hidrógeno existe como un gas de baja densidad a temperatura ambiente, mayoría de las aplicaciones utiliza alguna forma de hidrógeno comprimido para combustible. 1 , 2 una desventaja potencial de usar comprimido, gas de hidrógeno de alta presión es la incompatibilidad con muchos materiales que se encuentran dentro de infraestructura2,3,4 y aplicaciones vehiculares5 donde problemas de compatibilidad se combinan con repetidas de la presión y temperatura de ciclismo. Un ambiente de hidrógeno puro se sabe para dañar componentes metálicos incluyendo ciertos aceros y titanio a través de diferentes mecanismos incluyendo la formación de hidruros, hinchazón, ampollas y fragilidad de la superficie. 2 , 6 , 7 , 8 no metálicos componentes como plomo Titanate del zirconate del (PZT) utilizado en cerámica también han demostrado ser susceptibles a la degradación por efecto de incompatibilidad de hidrógeno como ampollas superficiales y la migración de plomo. 9 , 10 , 11 , 12 mientras que estos ejemplos de daños debido a la exposición de hidrógeno se han estudiado previamente, la compatibilidad de componentes de polímero dentro de entornos de hidrógeno sólo recientemente ha sido de interés. 13 , 14 , 15 , 16 esto es en gran parte el resultado de componentes metálicos proporcionar integridad estructural en nuclear y aplicaciones de petróleo y gas, mientras que los componentes del polímero suelen actúan como barreras o sellos. 17 , 18 , 19 , 20 en consecuencia, las propiedades de fricción y el desgaste de los materiales de polímero dentro de los componentes como el politetrafluoroetileno (PTFE) válvula asientos y factores importantes de nitrilo butadieno caucho (NBR) O-rings se convierten en su capacidad de funcionar.
En el caso de la infraestructura de hidrógeno, componentes tales como válvulas, compresores y tanques de almacenamiento contienen polímeros en contacto con las superficies metálicas. Resultados de la interacción friccional entre el polímero y las superficies metálicas de desgaste de cada una de las superficies. La ciencia de la relación entre la fricción y el desgaste de dos superficies de interacción se conoce como tribología. Polímeros tienden a tener baja módulos elástico y fuerza que el metálico, por lo tanto las propiedades tribológicas de los materiales de polímero difieren mucho de los materiales metálicos. Como resultado, las superficies de polímero tienden a mostrar un mayor desgaste y daños después del contacto por fricción con una superficie metálica. 21 , 22 aplicación de infraestructura de hidrógeno, la presión rápida y temperatura ciclismo causas repetida interacción entre el polímero y las superficies metálicas, aumentando la probabilidad de fricción y desgaste en el componente de polímero. Cuantificación de este daño puede ser un desafío ex situ debido a la descompresión explosiva posible de la muestra de polímero después de despresurización que puede provocar daños no tribológicas. 23 además, muchos productos de polímeros comerciales contienen muchos rellenos y aditivos tales como óxido de magnesio (MgO) que pueden interactuar negativamente con el gas de hidrógeno a través de hydriding, complicando aún más ex situ análisis de desgaste en estas materiales. 24 , 25
Debido a la complejidad de distinguir entre daños en el material de polímero causado durante la despresurización y daño debido al desgaste tribológico ex situ, es necesario estudiar directamente las propiedades de fricción de materiales nos-metálico in situ en un ambiente de alta presión de hidrógeno que es probable que existan dentro de la infraestructura de suministro de hidrógeno. En este protocolo, demostramos una prueba de la metodología desarrollada para cuantificar la fricción y desgaste de propiedades de materiales poliméricos en un ambiente de alta presión de hidrógeno utilizando un tribómetro creada ex profeso en situ . 26 también presentamos datos representativos adquiridos utilizando el tribómetro en situ y caucho de etileno propileno dieno monómero (EPDM), lacre de polímero común y material de barrera. El material EPDM para que representante de datos fue generados usando el protocolo a continuación fue adquirido en hojas de forma cuadrada 60,96 cm con un grosor de 0,3175 cm y fue reportado por el proveedor para tener un grado de dureza 60A.

<table><tbody><tr><td>Hoja de stock de polímero EPDM</td><td>McMaster-Carr</td><td>8525T68</td> Recipiente a presión de <td>24" x 24", 1/8" de espesor</td></tr><tr><td>, autoclave</td><td>Fluitron Inc.</td><td>8308-1788-U</td><td>5" de diámetro, 1'</td></tr><tr><td>de altura Hidrógeno gaseoso de alta pureza</td><td>Praxair</td><td>HY4.5</td><td>Grado 4.5, 5 ppm O2, 5 ppm H20</td></tr><tr><td>O2 Sensor</td><td>Advanced Micro Instruments</td><td>T2</td><td>0-5ppm rango mínimo, 10,0000 ppm máx.</td></tr><tr><td>Gas argón prepurificado</td><td>Oxarc</td><td>LCCO-HP818</td><td>Alta pureza, 99.998%</td></tr><tr><td>Detergente líquido para lavar platos</td><td>McMaster-Carr</td><td>98365T89</td><td>Botella de vertido de 32 oz,</td></tr><tr><td>esponja resistente al moho</td> con aroma a limón <td>McMaster-Carr</td><td>7309T1</td><td>6" de largo x 3 -1/2" de ancho x 1" de alto, amarillo</td></tr><tr><td>Cinta selladora de roscas de tubería de PTFE</td><td>McMaster-Carr</td><td>4591K12</td><td>1/2" de ancho, blanco </td></tr><tr><td>color Racores para tubos de gas</td><td>Swagelok</td><td>SS-400-1-4</td><td>1/4" OD, acero inoxidable, rosca NPT macho Troquel accionado por</td></tr><tr><td>martillo</td><td>McMaster-Carr</td><td>3427A22</td><td>7/8" Perforadora accionada por martillo</td></tr><tr><td>Transformador diferencial variable lineal Omega</td><td></td><td>LD320-2.5&nbsp;</td><td>2,5 mm, salida de CA, guiada con muelle</td></tr><tr><td>Junta tórica para autoclave</td><td>Fluitron Inc.</td><td>A-4511</td><td>Hastelloy C-276, 5-3/4" de diámetro exterior x 5" de diámetro interno x 3/8"</td></tr> <tr><td>Llave dinamométrica</td><td>McMaster-Carr</td><td>85555A422</td><td>Llave limitadora de par ajustable, liberación rápida, 1/2" unidad cuadrada, 50-250 pies-libras. Mazo de torsión</td></tr><tr><td></td><td>McMaster-Carr</td><td>5939A11</td><td>Martillo de caucho duro y extraduro, 2-1/4 lbs.</td></tr><tr><td>iLoad Mini Sensor de Carga Capacitiva</td><td>Sensores Loadstar</td><td>MFM-050-050-S*C03</td><td>50 lb, U Calibración, 0.5% Precisión, Acero</td></tr></tbody></table>

in situ tribológicas de polímeros comunes utilizados en la infraestructura de suministro de hidrógeno de hidrógeno de alta presión

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

Gas de hidrógeno de alta presión se sabe para afectar componentes de compresores, válvulas, mangueras y actuadores. Sin embargo, relativamente poco se sabe sobre los efectos del hidrógeno de alta presión en los materiales de aislamiento y barrera de polímero que también se encuentran dentro de estos componentes. Se requieren más estudios para determinar la compatibilidad de los polímeros comunes encontrados en los componentes de la infraestructura de suministro de combustible de hidrógeno con hidrógeno de alta presión. Como resultado, es importante considerar los cambios en las propiedades físicas tales como fricción y desgaste en situ , mientras que el polímero está expuesto a hidrógeno de alta presión. En este protocolo, presentamos un método para las pruebas de la fricción y desgaste propiedades de muestras de elastómero de etileno propileno dieno monómero (EPDM) en un ambiente de hidrógeno de alta presión de MPa 28 utilizando una medida en situ pin-en-plano lineal alternativo tribómetro. Presentan los resultados representativos de esto son pruebas que indican que el coeficiente de fricción entre el cupón de muestra EPDM y la superficie de acero contador es incrementado en hidrógeno de alta presión en comparación con el coeficiente de fricción, igualmente medido en aire ambiente.

Utilizando la metodología presentada, el coeficiente de cinético factor de fricción y el desgaste para una muestra del elastómero se puede medir en un entorno de alta presión de hidrógeno. Los datos representativos presentados en la figura 1 muestran que en un ambiente de alta presión de hidrógeno mayor fuerza se requiere para mover muestras de polímero EPDM bajo la superficie del mostrador acero. Usando la relación entre la normalidad de la fuerza FN</s...

Una metodología de prueba para la cuantificación de las propiedades tribológicas de los polímeros utilizados en servicio de infraestructura de hidrógeno se demuestra y se discuten los resultados características de un elastómero común.

In Situ Tribológicas de polímeros comunes utilizados en la infraestructura de suministro de hidrógeno de hidrógeno de alta presión

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...

El gas hidrógeno es un combustible potencial prometedor para su uso en vehículos de emisiones casi nulas. Para hacer realidad la economía del hidrógeno, se necesita una infraestructura de repostaje. Los componentes típicos de la infraestructura incluyen compresores, actuadores, válvulas, reguladores y mangueras.Muchos de los cuales incluyen alguna combinación de materiales metálicos y poliméricos. Si bien la mayoría de los metales utilizados en estos componentes han sido estudiados en gran medida por su compatibilidad y entornos de hidrógeno a alta presión, ha habido relativamente poco trabajo que estudie el impacto del hidrógeno a alta presión en la compatibilidad de los polímeros. Las propiedades de fricción y desgaste de los polímeros bajo hidrógeno a alta presión son potencialmente muy importantes de comprender al diseñar sellos y componentes dinámicos.Los efectos del hidrógeno pueden ser mayores que los de los metales debido a la menor densidad de un polímero y su susceptibilidad a la difusión de moléculas pequeñas. En este video describiremos una metodología de prueba in situ que hemos desarrollado para medir las propiedades de desgaste y fricción de polímeros bajo un entorno de gas hidrógeno a alta presión de hasta 4000 psi. Una nota de advertencia.Este experimento requiere el uso de gas hidrógeno a altas presiones y requiere extrema precaución. El gas hidrógeno es inodoro, incoloro y, por lo tanto, indetectable por los sentidos humanos. El hidrógeno es altamente inflamable y arde con una llama azul casi invisible y puede formar mezclas explosivas en presencia de oxígeno.Las altas presiones superiores a 1.000 psi añaden riesgos de explosión adicionales que deben planificarse adecuadamente en preparación para cualquier prueba. Esta cantidad de energía almacenada representa un grave peligro para la seguridad. Por lo tanto, se debe realizar la debida diligencia, planificación y evaluación de la seguridad antes de iniciar un experimento de este tipo para garantizar que se mitiguen estos peligros.El experimento presentado aquí se realiza de acuerdo con las precauciones de seguridad adecuadas en un recipiente a presión certificado por ASME con un disco de ruptura ajustado a 5.000 psi con una ventilación adecuada. Con el fin de analizar la fricción y el desgaste de los elastómeros dentro de un entorno de hidrógeno a alta presión, hemos diseñado un tribómetro in situ único operable en un recipiente a presión sellado a 4.000 psi. El tribómetro mide la fuerza de fricción in situ necesaria para mover la muestra de elastómero de forma lineal y recíproca contra un pasador de acero cargado verticalmente en contacto con la muestra.Además, un transformador diferencial variable lineal o LVDT, mide el alcance de la indentación in situ de la bola de acero en la superficie del polímero durante la prueba. Para preparar las muestras de elastómero, limpiamos la lámina de polímero original eliminando los aceites y polvos de talco aplicados durante el proceso de fabricación. Y luego lave la lámina de polímero con agua y jabón con una esponja no abrasiva.Para eliminar el agua restante del proceso de lavado, seque la tira de polímero en un horno de secado ajustado a aproximadamente el 85% de la temperatura máxima de trabajo del material durante aproximadamente 72 horas. A continuación, deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente. Almacene las tiras de polímero lavadas y secas en un ambiente con humedad controlada cerca del 25% de humedad relativa antes de las pruebas tribológicas.Ahora que la tira de polímero está preparada, mientras usa guantes sin polvo, marque un extremo de la tira de polímero con una flecha de un solo lado. En un espacio de aproximadamente una pulgada de la primera marca, haga una segunda flecha en la misma dirección que la primera. Estas marcas asegurarán una orientación constante de la muestra durante el proceso de montaje.Ahora coloque un tinte circular de 7/8 de pulgada alrededor de la segunda flecha y use el tinte para cortar un cupón de muestra de la tira de polímero. Afloje los tornillos de cabeza hexagonal, asegurando la abrazadera de muestra en el tribómetro in situ. Retire el tornillo y el resorte de precisión de la esquina cercana de la abrazadera de muestra.Teniendo cuidado de asegurarse de que la flecha marcada en el cupón de muestra apunte a la parte posterior del tribómetro in situ, deslice el cupón de muestra en la pinza de muestra. Vuelva a insertar el resorte de precisión y el tornillo de cabeza hexagonal en la ranura de la esquina cercana. Inserte un bloque de calibre de 0.113 pulgadas en el espacio entre la parte superior e inferior de la abrazadera de muestra y apriete los tornillos de cabeza hexagonal hasta que la abrazadera se apriete alrededor del bloque de medidor, asegurando una compresión del 10% de la muestra con el bloque de medidor.Después de asegurarse de que la alimentación del tribómetro esté apagada, para establecer la posición inicial de la etapa de muestra, coloque un bloque de calibre de 0.95 pulgadas a lo largo de la pared del tribómetro in situ debajo del tornillo de accionamiento. Usando la cadena de transmisión, retroceda la etapa de muestra a lo largo del tornillo de transmisión hasta que la etapa esté ajustada con el bloque de calibre. Para preparar el tribómetro in situ para el experimento, primero limpie la superficie de la bola de acero con un paño suave y un disolvente apropiado y apropiado, en este caso acetona, para eliminar cualquier posible película de transferencia de polímero de la bola.Deslice el portador de bolas de bronce sobre el riel perpendicular al trineo de muestras, permitiendo que la contrabola se deslice en el ojo de la cerradura y descanse sobre la muestra de polímero. Coloque el peso estacionario de cobre en el soporte de bronce. Con una llave hexagonal y dos tornillos de bronce, vuelva a colocar el brazo de medición del LVDT en el soporte de bronce, de modo que el cilindro flotante del LVDT descanse sobre el brazo.Ajuste la abrazadera que sujeta el LVDT en su lugar, de modo que el LVDT esté midiendo cerca del punto cero. Baje el conjunto del tribómetro en el recipiente a presión, asegurándose de que el pozo térmico en la brida superior del recipiente baje en el espacio entre el tribómetro y la pared del recipiente. Envuelva la junta tórica hastelloy con dos capas y media de cinta de PTFE y coloque la junta tórica en la ranura del borde del recipiente a presión.Vuelva a conectar los cinco cables de alimentación para el motor tribómetro, los cuatro cables de datos para la celda de carga y los cinco cables de datos para el LVDT. Ahora, para sellar el recipiente a presión, baje la brida superior del recipiente a presión para cerrarlo, teniendo cuidado de bajar la parte superior suavemente sobre la junta tórica envuelta en PTFE. Al bajar, tenga en cuenta la posición de los cables de datos y alimentación, de modo que no queden atrapados entre la tapa y el anillo del objetivo.Inserte los pernos en los orificios numerados de la brida superior en orden ascendente hasta que estén apretados con los dedos. Con una llave hexagonal, torza los pernos de la brida en orden ascendente para apretarlos a mano y repita hasta que los pernos ya no se puedan apretar. Comenzando con 90 libras-pie y aumentando en incrementos de treinta libras-pie, use una llave dinamométrica para apretar los pernos de la brida en orden ascendente hasta que se aprieten a 200 libras-pie.Esta parte del experimento requiere el uso de hidrógeno a alta presión. Es fundamental que se tenga en cuenta la evaluación de seguridad completa y los factores de seguridad adecuados cuando se utiliza gas inflamable y de alta presión. Conecte los accesorios de gas Swagelok a la tapa del autoclave y enjuague el recipiente a presión con baja presión de alrededor de 80 psi de gas argón durante aproximadamente una hora hasta que el contenido de oxígeno del recipiente caiga por debajo de 10 ppm.Una vez que los niveles de oxígeno estén seguros, lentamente, a menos de 40 psi por segundo, enjuague el recipiente con gas hidrógeno de pureza del 99,995% hasta 1000 psi, luego ventile lentamente el gas. Repita el proceso de lavado dos veces más. Después de enjuagar el recipiente a presión, llene lentamente el recipiente a presión con gas hidrógeno hasta 2,000 psi y deje que el recipiente descanse durante 10 minutos, de modo que la temperatura del gas dentro del recipiente se equilibre a temperatura ambiente.Continúe llenando el recipiente con gas hidrógeno a alta presión, esta vez hasta 3, 000 psi y luego espere otros 10 minutos. Finalmente, lleve el recipiente al objetivo de 4, 000 psi con gas hidrógeno y cierre todas las válvulas. Deje que la muestra de polímero se remoje durante aproximadamente 12 horas en el gas hidrógeno antes de comenzar el experimento.El experimento se realiza durante una hora de movimiento lineal, lo que se traduce en 120 ciclos recíprocos lineales de la etapa de muestra. Durante el experimento, la célula de carga mide la cantidad de fuerza necesaria para deslizar la superficie del cupón de muestra de elastómero a través de la bola de acero cargada. Además, el LVDT mide la profundidad de penetración de la bola de acero en la muestra de elastómero en función del tiempo.Una vez finalizado el experimento, despresurice lentamente el sistema a una velocidad inferior a 50 psi por segundo para evitar una posible descompresión explosiva y, por lo tanto, daños en la superficie de la muestra de polímero que no sean representativos de ningún mecanismo de fricción o desgaste. A partir de la fuerza de fricción medida por la célula de carga llamada F de k, y la fuerza normal ejercida por la bola de acero, llamada F de n, se puede calcular el coeficiente cinético de fricción mu. Usando los datos de profundidad de penetración LVDT x, y la presión, el volumen y el tiempo, se puede calcular el factor de desgaste, la resistencia del material al desgaste.Estos gráficos contienen datos representativos recopilados utilizando la metodología de prueba descrita en este video, mientras se prueba el caucho EPDM y el gas hidrógeno a alta presión, los datos azules, y un aire a presión ambiente, los datos negros. En el conjunto de datos que se muestra aquí, el coeficiente de fricción de la bola de acero en la muestra de polímero EPDM aumentó en el gas hidrógeno a alta presión en comparación con el aire ambiente. Sin embargo, la resistencia al desgaste de la muestra de EPDM fue menor en el hidrógeno a alta presión que en el aire a presión ambiente.Lo más probable es que esto se deba al aumento de la densidad de las muestras presurizadas. La infraestructura de suministro de combustible de hidrógeno se está expandiendo rápidamente para satisfacer las necesidades de los nuevos vehículos de combustible alternativo. La seguridad y confiabilidad de esta infraestructura dependerá de la comprensión de la compatibilidad del material blando con el hidrógeno a alta presión.Aquí hemos demostrado una metodología de prueba para medir las propiedades tribológicas de materiales poliméricos en un entorno de hidrógeno a alta presión utilizando un tribómetro in situ único. Esta metodología de ensayo puede utilizarse para evaluar la aptitud de los materiales poliméricos para el servicio en la infraestructura de hidrógeno.

in-situ-high-pressure-hydrogen-tribological-testing-common-polymer

Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

Se ha renovado el interés en el desarrollo de válvulas de polímero. Aquí, los objetivos son para demostrar la viabilidad de la modificación de un duplicador de pulso comercial para dar cabida a geometrías tri-prospecto y para definir un protocolo para presentar los datos hidrodinámicos de la válvula de polímero en comparación con los datos de la válvula nativa y protésica recogidos en condiciones casi idénticas.

Protocolo para la evaluación relativa hidrodinámico de Tri-lámina polimérica Válvulas

La durabilidad de los polímeros y los compuestos poliméricos reforzados con fibra en servicio es un aspecto crítico para sus diseños y mantenimiento basado en la condición. Presentamos una novedosa plataforma de pruebas de laboratorio de bajo costo para la investigación de la influencia de las cargas mecánicas y ambientales concurrentes, y puede ayudar a diseñar estructuras compuestas más eficientes y seguras.

Una plataforma de pruebas de Estudios de durabilidad de Polímeros y reforzados con fibra de polímero composites bajo estímulos Concurrente Hygrothermo-mecánica

Informamos de un protocolo para combinar la metrología atómica del Microscopio de Efecto Túnel de Barrido para el modelado de superficies con la Deposición selectiva de la Capa Atómica y el Grabado de Iones Reactivos. Utilizando un proceso robusto que implica numerosas exposiciones atmosféricas y transporte, se fabrican nanoestructuras 3D con metrología atómica.

La fabricación de nanoestructuras Atómicamente trazable

Ilustramos la aplicación de 1 H (15 N, αγ) 12 C resonante análisis reacción nuclear (NRA) para evaluar cuantitativamente la densidad de átomos de hidrógeno en la superficie, en el volumen, y en una capa interfacial de materiales sólidos. Se describe la profundidad cerca de la superficie de hidrógeno de perfiles de un catalizador de Pd (110) de cristal único y de SiO2 / Si (100) apila.

La cuantificación de las concentraciones de hidrógeno en superficies e interfaces de capas y materiales a granel a través de perfiles de profundidad con el análisis de Reacción nuclear

Este artículo describe una configuración y un método para la visualización in situ de muestras de petróleo bajo una variedad de condiciones de temperatura y presión que tienen como objetivo emular los procesos de refinación y mejora. Se utiliza principalmente para estudiar los medios isotrópicos y anisotrópicos involucrados en el comportamiento de ensuciamiento de los alimentos derivados del petróleo.

In Situ La visualización del comportamiento de fases de muestras de aceite bajo condiciones de proceso de la refinería

En este documento se describe un método conveniente para la síntesis de catalizadores de Pt-Cu de nanopartículas bimetálicas soportadas de 2 nm para la deshidrogenación de propano. Las técnicas de rayos X de sincrotrón in situ permiten la determinación de la estructura del catalizador, que normalmente no se puede obtener utilizando instrumentos de laboratorio.

Síntesis y Prueba de Catalizadores de Nanopartículas de Solución Sólida Pt-Cu Soportadas para la Deshidrogenación de Propano

Aquí, presentamos un protocolo para medir la tribocorrosión tasa y desgaste de corrosión sinergia de película delgada y a granel Al aleaciones en agua de mar simulado a temperatura ambiente.

Determinación de tasa de tribocorrosión y sinergia corrosión desgaste de película a granel y delgadas de aleaciones de aluminio

Con el fin de introducir altas cantidades de hidrógeno en aleaciones de aluminio y aluminio, se desarrolló un nuevo método de carga de hidrógeno, llamado la fricción en el procedimiento de agua.

Carga de hidrógeno de aluminio usando fricción en el agua

Los reactores de membrana permiten la hidrogenación en condiciones ambientales sin entrada directa deH2 . Podemos rastrear la producción y utilización de hidrógeno en estos sistemas utilizando espectrometría de masas atmosférica (atm-MS) y espectrometría de masas por cromatografía de gases (GC-MS).

Producción y utilización de hidrógeno en un reactor de membrana

La calefacción celda de yunque de diamante láser combinado con técnicas de micro-difracción sincrotrón permite a los investigadores a explorar la naturaleza y propiedades de las nuevas fases de la materia a la presión y la temperatura (PT) condiciones extremas. Muestras heterogéneas pueden...

Síntesis y microdifracción a presiones y temperaturas extremas

Aprende a evaluar propiedades tribológicas de polímeros en infraestructura de hidrógeno a alta presión. Este método mide fricción y desgaste de elastómeros para diseñar sellos dinámicos seguros.

In Situ Tribológicas de polímeros comunes utilizados en la infraestructura de suministro de hidrógeno de hidrógeno de alta presión (Video) | JoVE Journal

In Situ Tribológicas de polímeros comunes utilizados en la infraestructura de suministro de hidrógeno de hidrógeno de alta presión

Explorar más videos