就地氢气输送基础设施用普通高分子材料的高压氢摩擦学试验
Summary
介绍了用于氢基础设施服务的聚合物摩擦学性能量化的试验方法, 并讨论了常用弹性体的特性结果。
Abstract
众所周知, 高压氢气对压缩机、阀门、软管和驱动器的金属部件产生不利影响。然而, 对高压氢对聚合物密封和阻隔材料的影响的认识相对较少。为了确定在氢燃料输送基础设施的组分中发现的普通高分子材料与高压氢气的相容性, 需要进行更多的研究。因此, 重要的是考虑物理性能的变化, 如摩擦和磨损的就地, 而聚合物暴露在高压氢。在本协议中, 我们提出了一种用自定义内置的就地针平直线往复法测试 28 MPa 高压氢环境中的乙丙二烯单体 (EPDM) 弹性体试样的摩擦磨损性能的方法。摩擦.试验结果表明, 在高压氢气中, 三元乙丙橡胶试样与钢柜台表面的摩擦系数与相似的摩擦系数相比, 在周围的空气。
Introduction
近年来, 在车辆和固定动力源中, 氢气作为潜在的零排放或近零排放燃料的兴趣一直很大。由于氢气存在于室温下的低密度气体中, 大多数应用都使用某种形式的压缩氢气作为燃料。1,2使用压缩高压氢气的潜在缺点与基础结构2、3、4和车载应用程序5中发现的许多材料不兼容, 其中兼容性问题与反复压力和温度循环相结合。一个纯净的氢环境是已知的损害金属成分, 包括某些钢和钛通过不同的机制, 包括氢化物形成, 膨胀, 表面起泡和脆化。2,6,7,8在压电陶瓷中使用的锆钛酸铅 (PZT) 等非金属元件也被证明易受降解, 因为氢不相容效应, 如表面起泡和铅迁移。9,10,11,12虽然以前曾研究过氢暴露造成的损害的这些例子, 但在氢环境中聚合物组分的相容性最近才引起关注。13,14,15,16这主要是由于金属部件在核和石油和天然气应用中提供结构完整性, 而聚合物成分通常充当屏障或密封。17,18,19,20因此, 在诸如聚四氟乙烯 (PTFE) 阀座和丁腈橡胶 (丁腈橡胶) O 形环等元件内的高分子材料的摩擦和磨损特性成为其功能能力的重要因素。
在氢基础设施的情况下, 诸如阀门、压缩机和储罐等部件含有与金属表面接触的高分子材料。聚合物和金属表面之间的摩擦相互作用导致每个表面的磨损。两个相互作用表面的摩擦和磨损之间的关系的科学被称为摩擦学。聚合物的弹性模量和强度比金属低, 因此高分子材料的摩擦学性能与金属材料有很大的不同。因此, 在与金属表面摩擦接触后, 聚合物表面往往表现出更大的磨损和损伤。21,22在氢基础设施应用中, 快速压力和温度循环导致聚合物与金属表面反复相互作用, 增加了聚合物组分摩擦和磨损的可能性。量化这一损害可能是挑战前现场由于可能爆炸减压的聚合物样品后减压, 可能会导致非摩擦学损伤。23此外, 许多商业聚合物产品含有许多填充剂和添加剂, 如氧化镁 (氧化镁), 它们可能通过氢与氢气产生负面作用, 进一步使原位分析的磨损在这些材料.24,25
由于摩擦磨损对聚合物材料损伤的判别复杂度为原位, 因此需要直接研究非金属材料的摩擦特性原位在可能存在于氢传递基础结构中的高压氢环境中。在本议定书中, 我们演示了一种测试方法, 用于在高压氢环境中利用专门构建的原位摩擦来量化聚合物材料的摩擦和磨损特性。26我们还提供使用原位摩擦和乙烯丙二烯单体 (三元乙丙橡胶) 获得的具有代表性的数据, 这是一种常见的聚合物密封和阻隔材料。使用下面的协议生成具有代表性数据的三元乙丙橡胶材料是以60.96 厘米见方的0.3175 厘米厚的方形板材购买的, 并由供应商报告其硬度等级为60A。
Protocol
Representative Results
Discussion
现有的用于高分子材料摩擦学测试的前向原位技术要求样品暴露在高压氢气上, 然后减压使用商用摩擦进行测试。15,24,25本协议中的测试方法旨在允许在高压环境下对聚合物样品的摩擦学性能进行测试,原位。通过对以上所述的高分子材料 (如三元乙丙橡胶试样的加压) 进行测试, 本协议允许对在氢输送基础设施组件?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究是在太平洋西北国家实验室 (PNNL) 进行的, 该实验由能源部巴特利纪念研究所根据合同编号进行管理。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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