In Situ Hidrogênio de alta pressão tribológicas de ensaios de materiais de polímero comum usados na infra-estrutura de entrega de hidrogênio
Summary
Uma metodologia de ensaio para quantificar Propriedades tribológicas dos polímeros utilizados no serviço de infra-estrutura de hidrogênio é demonstrada e resultados característicos de um elastômero comuns são discutidos.
Abstract
Gás de hidrogênio de alta pressão é conhecido por afetar adversamente componentes metálicos de compressores, mangueiras, válvulas e atuadores. No entanto, relativamente pouco é conhecido sobre os efeitos de hidrogênio de alta pressão sobre os materiais de vedação e barreira de polímero também encontrados dentro desses componentes. Estudo mais é necessário para determinar a compatibilidade de materiais de polímero comum encontrado nos componentes da infra-estrutura de entrega de combustível de hidrogênio com hidrogênio de alta pressão. Como resultado, é importante considerar as alterações nas propriedades físicas, tais como o atrito e desgaste em situ , enquanto o polímero é exposto a hidrogênio de alta pressão. Neste protocolo, apresentamos um método para testar a fricção e usar propriedades de amostras de elastômero etileno propileno dieno monômero (EPDM) em um ambiente hidrogênio de alta pressão MPa 28 usando um Custom-Built em situ pin-na-plano linear reciprocating tribometer. Resultados representativos de teste são apresentaram que indicam que o coeficiente de atrito entre o cupom de amostra EPDM e superfície de aço do contador é aumentada em hidrogênio de alta pressão em comparação com o coeficiente de atrito, da mesma forma, medido em ar ambiente.
Introduction
Nos anos recentes, tem havido grande interesse em hidrogênio como uma emissão de potencial zero ou quase zero de emissões combustível em veículos e fontes de energia estacionária. Desde que o hidrogênio existe como um gás de baixa densidade à temperatura ambiente, a maioria dos aplicativos usam alguma forma de hidrogénio comprimido para combustível. 1 , 2 uma desvantagem potencial do uso comprimido, gás de hidrogênio de alta pressão é incompatibilidade com muitos materiais encontrados dentro infra-estrutura2,3,4 e aplicações veiculares5 onde problemas de compatibilidade são combinados com repetidas de pressão e temperatura de ciclismo. Um ambiente de hidrogênio puro é conhecido por danificar componentes metálicos, incluindo alguns aços e superfície de titânio através de diferentes mecanismos, incluindo formação de hidreto, inchaço, bolhas e fragilização. 2 , 6 , 7 , 8 não-metálicos componentes como titanato de zirconato de chumbo (PZT) usado em cerâmicas piezoelétricas também provaram suscetíveis à degradação devido ao efeito de incompatibilidade de hidrogênio como bolhas de superfície e a migração de chumbo. 9 , 10 , 11 , 12 enquanto estes exemplos de danos devido à exposição de hidrogênio foram previamente estudados, a compatibilidade dos componentes do polímero dentro de ambientes de hidrogênio só recentemente se tornou de interesse. 13 , 14 , 15 , 16 este é em grande parte resultado de componentes metálicos, fornecendo integridade estrutural em nuclear e aplicações de óleo e gás, Considerando que os componentes do polímero normalmente agem como barreiras ou selos. 17 , 18 , 19 , 20 como resultado, as propriedades de fricção e o desgaste dos materiais de polímero dentro dos componentes tais como politetrafluoretileno (PTFE) válvula assentos e nitrilo butadieno (NBR) de borracha Anéis tornam-se importantes fatores na sua capacidade de função.
No caso da infra-estrutura de hidrogênio, componentes como válvulas, compressores e tanques de armazenamento contêm materiais de polímero que estão em contacto com superfícies metálicas. A interação de fricção entre o polímero e superfícies metálicas resulta em desgaste de cada uma das superfícies. A ciência da relação entre o atrito e o desgaste de duas superfícies de interação é conhecida como tribologia. Polímeros tendem a ter mais baixo módulo elástico e força do que metálico, portanto as propriedades tribológicas de materiais de polímero diferem grandemente de materiais metálicos. Como resultado, superfícies polímero tendem a apresentar maior desgaste e danos após fricção contacto com uma superfície metálica. 21 , 22 em um aplicativo de infra-estrutura de hidrogênio, rápida pressão e temperatura ciclismo causas repetidas interação entre o polímero e superfícies metálicas, aumentando a probabilidade de atrito e desgaste na componente de polímero. Quantificar este dano pode ser um desafio ex situ devido à descompressão explosiva possível da amostra polímero após despressurização que pode causar danos não-tribológicas. 23 além disso, muitos produtos de polímeros comerciais contêm muitas cargas e aditivos tais como óxido de magnésio (MgO) que pode interagir negativamente com o gás de hidrogênio através de hydriding, complicando ainda mais a ex situ análise de desgaste em estas materiais. 24 , 25
Devido à complexidade de diferenciar entre danos ao material polímero causado durante a despressurização e danos causados pelo desgaste tribológicas ex situ, há uma necessidade de estudar diretamente as propriedades de fricção dos materiais não-metálicos in situ dentro de um ambiente de hidrogênio de alta pressão que é provável que existam dentro da infra-estrutura de entrega de hidrogênio. Neste protocolo, demonstramos um teste metodologia desenvolvida para quantificar o atrito e desgaste Propriedades de materiais de polímero em um ambiente de hidrogênio de alta pressão utilizando um purpose-built em situ tribometer. 26 apresentamos também dados representativos adquiridos utilizando o tribometer em situ e borracha de etileno propileno dieno monômero (EPDM), uma selagem de polímero comum e material de barreira. O material EPDM para que representante dados foi gerados usando o protocolo abaixo foi comprado em folhas de 60,96 cm quadrado com uma espessura de 0,3175 cm e foi relatado pelo vendedor para ter uma avaliação da dureza de 60A.
Protocol
Representative Results
Discussion
Técnicas atuais de ex situ para tribológicas de teste de materiais de polímero requerem amostras para ser exposto ao hidrogênio de alta pressão, que são então despressurizadas antes de ser testado utilizando um tribometer comercial. 15 , 24 , 25 a metodologia de teste neste protocolo foi projetada para permitir testes das propriedades tribológicas de amostras de polímero em um ambiente de alta pressão em s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi realizada no laboratório nacional Noroeste Pacífico (PNNL), que é operado pelo Battelle Memorial Institute para o departamento de energia (DOE) sob o n º do contrato DE-AC05-76RL01830.
Materials
| EPDM Polymer Stock Sheet | McMaster-Carr | 8525T68 | 24" x 24", 1/8" Thick |
| Pressure Vessel, Autoclave | Fluitron Inc. | 8308-1788-U | 5" diameter, 1' height |
| High Purity Hydrogen Gas | Praxair | HY4.5 | Grade 4.5, 5ppm O2, 5 ppm H20 |
| O2 Sensor | Advanced Micro Instruments | T2 | 0-5ppm min. range, 10,0000ppm max. |
| Pre-purified Argon Gas | Oxarc | LCCO-HP818 | High-purity, 99.998% |
| Liquid Dishwashing Detergent | McMaster-Carr | 98365T89 | 32 oz pour bottle, lemon scented |
| Mildew Resistant Sponge | McMaster-Carr | 7309T1 | 6" long x 3 -1/2" Wide x 1" High, yellow |
| PTFE Pipe Thread Sealant Tape | McMaster-Carr | 4591K12 | 1/2" wide, white color |
| Gas Tube Fittings | Swagelok | SS-400-1-4 | 1/4" OD, stainless steel, male NPT threading |
| Hammer Driven Die | McMaster-Carr | 3427A22 | 7/8" Hammer driven hole punch |
| Linear Variable Differential Transformer | Omega | LD320-2.5 | 2.5mm, AC output, guided w/spring |
| Autoclave O-ring Seal | Fluitron Inc. | A-4511 | Hastelloy C-276, 5-3/4" OD x 5" ID x 3/8" |
| Torque Wrench | McMaster-Carr | 85555A422 | Adjustable Torque-Limiting Wrench, Quick-Release, 1/2" Square Drive, 50-250 ft.-lbs. Torque |
| Mallet | McMaster-Carr | 5939A11 | Hard and Extra-Hard Rubber Hammer, 2-1/4 lbs. |
| iLoad Mini Capacitive Load Sensor | Loadstar Sensors | MFM-050-050-S*C03 | 50 lb, U Calibration, 0.5% Accuracy, Steel |
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