水素インフラ サービスで使用される高分子のトライボロジー特性を定量化するためのテスト方法を示したし、一般的なエラストマーの特徴的な結果について述べる。
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この記事について
サマリー
要約
高圧水素ガスは、コンプレッサー、バルブ、ホース、およびアクチュエータの金属部品に悪影響を与える知られています。しかし、比較的少しはまたこれらのコンポーネント内で見つかったポリマー シールとバリア材料の高圧水素の影響について知られています。多くの研究は、高圧水素と水素燃料の輸送インフラのコンポーネントは、一般的なポリマー材料の互換性を判断するために必要です。その結果、摩擦などの物理特性の変化を考慮し、ポリマーは、高圧水素にさらされている間その場で着用することが重要です。このプロトコルで摩擦試験方法とカスタムその場でピンのフラット直線往復を使用して 28 MPa 高圧水素環境におけるエチレン プロピレン ジエンの単量体 (EPDM) エラストマー試料の性質を着用トライボメータ。この試験は代表的な結果表示これは EPDM サンプル クーポンと鋼の反対の表面との間の摩擦係数が高圧水素で同様に測定した摩擦係数と比較すると増加することを示す周囲の空気。
概要
近年、可能性ゼロ排出ガスとして水素の大きな関心や車、定置型電源のゼロに近い排出量の燃料をされています。室温で低密度のガスとして水素が存在するので、ほとんどのアプリケーションは燃料の圧縮水素のいくつかのフォームを使用します。1,2の圧縮を使用して潜在的な欠点は、高圧水素ガスは、インフラストラクチャ2,3,4と車載5内で見つかった多くの材料との互換性、互換性の問題が繰り返される圧力および温度と組み合わせてサイクリングします。純粋な水素環境は特定の鋼を含む金属の部品が損傷、腫れ、水素化物の形成を含むさまざまなメカニズムを通じてチタン表面とふくれ、脆化。2,6,7,ジルコン酸チタン酸鉛 (PZT) 圧電セラミックスの使用など8非金属部品も鉛の移行と表面ふくれなど水素非互換性効果による劣化を受けやすい証明しました。9,10,11,12水素照射による損傷のこれらの例は既に研究されている中、水素環境内の高分子のコンポーネントとの互換性が関心になるばかり。13,14,15,16主成分ポリマーは通常の障壁またはシールとして、核の構造の整合性とオイルとガスのアプリケーションを提供する金属のコンポーネントの結果です。17,18,19,20その結果、ポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) などのコンポーネント内で高分子材料の摩擦・摩耗特性シートとバルブ トリル ブタジエンのゴム (NBR) O リングになる重要な要因で機能する能力で。
水素インフラの場合は、貯蔵タンク、コンプレッサー、バルブなどのコンポーネントは、金属表面と接触している高分子材料を含まれています。高分子と金属表面間の摩擦の相互作用は、各表面の摩耗の結果します。摩擦と相互作用する 2 つの表面の摩耗の関係の科学はトライボロジーと呼ばれます。低弾性率と金属よりも強度を持っている傾向があるポリマー、高分子材料のトライボロジー特性は金属材料から大きく異なるため。その結果、高分子表面は、金属表面との摩擦接触後以上の摩耗や損傷を展示する傾向があります。21,22水素インフラストラクチャ アプリケーション、高速圧力と温度サイクルが高分子と金属表面の相互作用の繰り返しの原因は、摩擦の可能性が高まるとポリマー成分に着用します。元場非トライボ損傷を引き起こす可能性があります減圧後ポリマー サンプルの可能な爆発性減圧のためこの損傷の定量化は難しい。23また、多くのポリマー製品含める多くのフィラーと水素化、元場これらの摩耗の解析をさらに複雑な中に水素ガスとの対話を通じて否定的マグネシウム酸化物 (MgO) などの添加物材料。24,25
減圧元場摩擦摩耗による損傷発生高分子材料への損傷間の差別化の複雑さのため直接非金属材料原の摩擦特性を調査する必要があります。水素配信インフラストラクチャ内に存在する可能性のある高圧水素環境で。このプロトコルでは、テストを示す摩擦を定量化し、専用の in situトライボメータを利用した高圧水素雰囲気下における高分子材料の性質を着用する方法論を開発しました。26本代表のデータ取得の in situトライボメータとエチレン プロピレンのジエンの単量体 (EPDM) ゴム、一般的なポリマー シールおよびバリア材を使用します。EPDM 素材 0.3175 cm 厚さで 60.96 cm 正方形シートで購入したデータは、以下のプロトコルを使用して生成された代表と 60A 硬さの評価を持っているベンダーによって報告されました。
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プロトコル
ここで示した実験では、無臭、無色、およびこうして人間の感覚によって検出不可能である水素ガスの使用が必要です。水素は引火、やけどほぼ目に見えない青炎しフォームをすることができます酸素の存在下で爆発性混合物。6.9 MPa を超える高圧は、任意のテストに備えて追加爆発の危険を適切に計画する必要がありますを追加します。この蓄えられたエネルギー量は深刻な安全上の問題を表し、したがって適正評価、計画、および安全性に、評価をこれらの危険を軽減することを確認するこのような実験を実行する前に実行する必要があります。ここで示した実験は、34.5 MPa に設定され、適切な換気、バースト ディスクとアメリカ機械学会 (ASME) 認定加圧適切な安全上の注意に従って実行されます。
1. ポリマー シート素材の準備
- 非研磨スポンジを使用して EDPM ポリマー シート素材に洗剤を適用し、オイルを削除し、タルクの粉末製造と出荷プロセス中に適用される約 3 分のための水の下ですすいでください。
- 洗濯の残り水のドライブに約 72 時間、マテリアルの作業温度、EPDM、約 75 ° C の 85% で乾燥炉内のポリマー シートを乾燥させます。
- オーブンの電源を切り、オーブン中室温に冷却する高分子シート ストック材料を許可します。
- ポリマー シートの上部を指している矢印の付いたシート素材の一角をマークします。この矢印はポリマー シートからカットのサンプルがあること一貫して同じ方向を確保するサンプル クーポン生成中にシートの向きを識別するのに役立ちます。
- 部屋の温度でポリマー ストック シート、トライボロジー試験前に相対湿度が 25% 近くの湿度制御環境を格納します。
2 を生成し、サンプル クーポンをマウント
- 粉を着て手袋を無料、対象クーポン、双方向の矢印がある同じ方向にポリマー シート素材の準備中にマークの矢印付近に矢のポリマー シート素材をマークします。
- 2.222 cm 直径の円形死ぬと木槌を使って、矢印マークの周りのサンプル クーポンを根絶します。
- トライボメータその場で、六角のキャップ スクリューと精密試料留め具の一番アクセスし易いコーナーから春削除サンプル クランプを固定する六角キャップ ネジを緩めます。
- 試料留め具、サンプルを確認する世話にスライド サンプル クーポンは方向の矢印が上下、トライボメータのバック プレートに近い側であるクランプの背面に向かって顔を指摘しました。
- 精密スプリングとサンプルの空の隅に六角のキャップ スクリューをクランプし手に進むは、エラストマー サンプルは元の高さの 10% で圧縮するようフィットするまでクランプの hex キャップネジのすべての 4 つを締めます。0.318 cm サンプル高さを想定して、クランプの 2 つのプレート間 0.287 cm ゲージ ブロックを使用して、10% の圧縮を実現できます。
3. 準備その場でトライボメータ
- 場所 2.413 cm ゲージ、トライボメータの壁とドライブのネジのすぐ下のサンプルそりブロックです。データ コレクション ボックスがオフし、時計回りに動き、そりのエッジがトライボメータ壁から 2.413 cm サンプルそりをバックアップするドライブ チェーンを有効にしていることを確認します。
- 反対の表面の表面の任意の破片が無料表示されるまで約 30 秒間柔らかい布または糸くずのない紙タオル、アセトンなどの適当な溶剤で表面をカウンターの鋼球を軽く拭きます。
- ブロンズ カウンター表面キャリアとブロンズ重量、カウンター ボールの鍵穴に挿入し、ポリマー サンプルの残りの部分をできるようにサンプルそりに垂直のレール上に 7.5 N の合計荷重スライドさせます。
- 自由に浮遊、LVDT シリンダーが腕にかかっていることなど、ブロンズ カウンター表面ホルダーにリニア可変差動トランス (LVDT) 測定アーム六角キーと 2 つの銅ネジを使用して、接続し直します。
- 場所の LVDT を保持するクランプを調整したり、ダウンそれの近く、LVDT を測定するようなゼロ点、クランプを締める場所に LVDT をセキュリティで保護します。
- 確保、トライボメータと容器の壁との間のギャップに、容器の上部のフランジに管が下がる圧力容器にトライボメータ アセンブリを下げます。
- ラップ シール o リング PTFE テープの 2 つ半層の合計。これは、各ラップと重なる約半分進むラップの o リングの直径を 2 回はやってまで PTFE テープでラップで。O リングの径をラップ重なることがなく最終的な時間。O リングをラップすると、一度は、圧力容器のリップの溝に配置します。
- 考慮して配線ラベルは、トライボメータ モーターの 5 電源線、負荷セルの 4 つのデータ線と、LVDT の 5 つのデータ ケーブルを接続し直します。
4. 圧力容器のシール
- 下を閉じ、PTFE にそっと上部フランジを下に注意しながら圧力容器上部フランジは o リングをシールをラップしました。
- 彼らがタイトな指まで昇順でメーカーが示す上部フランジの番号の穴にボルトを挿入します。
- 手動六角キーを使用すると、手にタイトな昇順のフランジ ボルトをトルクし、ボルトを強化されなくことができますまで繰り返します。
- 最低 120 Nm と 〜 40 Nm ずつ増えていく昇順 〜 40 Nm 増分の彼らがカンカンまで 280 ボルト、トルクをトルクレンチを使用して Nm。
5. 圧力容器の充填
- 今では圧力容器が密閉されているガス器具をオートクレーブ蓋に接続し、容器の酸素に配管酸素センサーを用いた 10 ppm を下回るまで約 1 h のアルゴンのガスを低圧 (~0.55 MPa) と圧力容器をフラッシュ圧力容器の出力。
- ゆっくりと (< 0.25 MPa ・ s) 6.9 MPa まで水素ガスの容器をフラッシュし、ゆっくりと大気圧ガスを発散します。フラッシュ プロセスをさらに 2 回繰り返します。
- ゆっくりと圧力容器をフラッシュした後 (< 0.25 MPa ・ s) 水素ガス 13.75 MPa までの圧力容器を記入し、容器内のガスの温度は部屋の温度にあるように 10 分の残りの部分に容器を許可します。
- 20.7 mpa 容器記入し、別の 10 分を待ちます。
- ターゲット 27.6 まで容器をもたらす MPa と閉じるすべてのバルブをオフします。
- 完全な浸透を可能にするのに実験を開始する前に、水素ガスで少なくとも 12 時間浸漬する高分子サンプルを許可します。
6. 実験の実行
- 圧力容器を終了するすべてのパススルー ワイヤ トライボメータ コントロール ボックスに関連付けられたラベル付き配線ハーネスに正しく接続されていると、トライボメータ入れますダブル チェック。
- トライボメータでは、ソフトウェアは、実験時間を 0.140 cm のパスの長さを 0.1 cm/s の速度で 1 時間に設定します。これは約 3.5 m の距離に対応します。
- 風袋、ロードセル、LVDT が 0 mm に近いことトライボメータ ソフトウェアの適切な深さを報告していることを確認.
- 実験を開始します。
7. 後の実験
- 約 0.35 MPa/s、圧力容器の温度は 0 ° C 下で落ちないことを確認で水素ガスの圧力容器をゆっくりと発散実験が完了すると、
- 最後に、容器内の残りの水素がないことを確認する 10 分間大気圧アルゴン ガス圧力容器ボリュームをフラッシュします。
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結果
紹介する方法を使用して、高圧水素環境中弾性サンプルの運動摩擦・摩耗率の係数を測定できます。図 1に示す代表的なデータは、高圧水素環境で大きな力が EPDM ポリマー サンプル スチール カウンター表面の下を移動する必要であることを示します。関係を使用して FNと EPDM のサンプル間の摩擦力 FK摩擦係数 μ、強制的に通常の間、鋼球を定めることができます。このデータは、EPDM のサンプルが周囲の空気でテストのサンプルよりもの水素摩擦のより高い係数を示す図 2で表示されます。この結果は、周囲の空気と比較して高圧水素環境で EPDM ポリマー鋼面、摺動接触に起因するより多くの摩擦があることを示します。
図 3では、高圧水素の EPD...
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ディスカッション
高分子材料のトライボロジー試験のため現在元場テクニックには、される前に減圧される高圧水素にさらされるサンプルが必要商業トライボメータを使用してテストします。15,24,25このプロトコルのテスト方法は、高圧環境でその場でポリマー サンプルのトライボロジー特性のテストを許可するように設計されました。彼らが加圧され、上記に示した EPDM サンプルなどの高分子材料をテストすることにより、このプロトコルは、水素の輸送インフラのコンポーネントは、密度の高い圧力で圧縮されたポリマー サンプルのより現実的な測定できます。材料のトライボロジー特性の in situ測定なので、減圧効果爆発性減圧元場メソッドの存在などによって引き起こされるデータ異常が軽減されます。
このプロトコルには、水素ガスは EPDM の場合約 12 時間をした高分子サン...
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開示事項
著者が明らかに何もありません。
謝辞
この研究を行ったで、太平洋の北西国立研究所 (なり)、ため、エネルギー省 (DOE) 契約番号の下でバテル記念研究所が運営します。デ-AC05-76RL01830。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| EPDMポリマーストックシート | McMaster-Carr | 8525T68 | 24 "x 24"、1/8 "厚さ |
| 圧力容器、オートクレーブ | Fluitron Inc. | 8308-1788-U | 5インチ直径、1フィート高さ |
| 高純度水素ガス | Praxair | HY4.5 | グレード4.5、5ppm O2、5ppm H20 |
| O2センサー | 高度なマイクロインスツルメンツ | T2 | 0-5ppm 最小範囲、最大10,0000ppm |
| 精製済みアルゴンガス | Oxarc | LCCO-HP818 | 純度、99.998% |
| 液体食器用洗剤 | McMaster-Carr | 98365T89 | 32オンス注ぎボトル、レモンの香りの |
| 防カビスポンジ | McMaster-Carr | 7309T1 | 6 "長いx3-1 / 2"広いx高さ1"、黄色 |
| のPTFEパイプスレッドシーラントテープ | McMaster-Carr | 4591K12 | 1/2 "広い、白カラー |
| ガス管継手 | スウェージロック | SS-400-1-4 | 1/4インチ OD、ステンレス鋼、オス NPT ねじ切り |
| ハンマー駆動ダイ | McMaster-Carr | 3427A22 | 7/8インチ ハンマー駆動穴パンチ |
| 線形可変差動変圧器 | オメガ | LD320-2.5 | 2.5mm、AC出力、ガイド付き、スプリング付き |
| オートクレーブOシール | Fluitron Inc. | A-4511 | ハステロイ C-276、5-3/4" OD x 5" ID x 3/8" |
| トルク レンチ | McMaster-Carr | 85555A422 | 調整可能なトルク制限レンチ、クイックリリース、1/2" スクエア ドライブ、50-250 ft.-lbs.トルク |
| マレット | McMaster-Carr | 5939A11 | 硬質および超硬質ゴムハンマー、2-1 / 4ポンド |
| iLoad ミニ静電容量式ロード センサー | Loadstar センサー | MFM-050-050-S*C03 | 50 ポンド、U キャリブレーション、0.5% 精度、スチール |
参考文献
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