Q NET Engineering GmbH

NMR Inspect

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Kernspinresonanz in Aufsatztechnik für die gummiverarbeitende Industrie

Situation

Elastomere sind extrem hohen Belastungen ausgesetzt sowohl mechanischer als auch thermischer und chemischer Art. Demnach können Verschleißerscheinungen auftreten. Der unerwartete Ausfall dieser Werkstoffe kann empfindliche Folgen haben. Die zerstörungsfreie Prüfung der Funktionseigenschaften und Alterungsbeständigkeit gewinnt daher zunehmend an Bedeutung.

Bisher beschränkten sich qualitätssichernde Maßnahmen bei der Herstellung von Gummiprodukten meist auf die Bestimmung mechanischer Kenngrößen mit zerstörenden Labormessverfahren. Eine kontinuierliche Überwachung der Prozess- und Produktqualität mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren war nicht möglich.

Die Methode der Kernspinresonanz liefert einen neuartigen Ansatz, um die Mikrostruktur von makromolekularen Werkstoffen, wie Elastomeren zerstörungsfrei zu charakterisieren. Bekannt ist diese Methode in der chemischen Analytik und in der medizinischen Humandiagnostik. Bisher war diese Messtechnik zerstörungsfrei nur bedingt einsetzbar, denn das Prüfobjekt musste in das Innere eines umfassenden Sensors eingebracht werden. Daher konnten große und sperrige Bauteile nicht untersucht werden. Das Prüfsystem NMR-INSPECT ist das weltweit erste komplett tragbare Messgerät in Aufsatztechnik.

Dieses einfach zu bedienende und optional batteriebetriebene Gerätesystem ermöglicht Messungen an beliebig großen Prüfobjekten und kann auch für prozessintegrierte Qualitätsprüfungen eingesetzt werden.

NMR-Gerät mit Aufsatztechnik
Abbildung 1: NMR-Gerät für die Charakterisierung von Gummi

Methode

Kernspinresonanz basiert auf der Wechselwirkung zwischen eingestrahlten Radiowellen und Atomkernen, die sich in einem starken Magnetfeld befinden. Wasserstoffkerne zeigen naturgegeben den größten Effekt. Die Kerne, die sich in dem Einflussvolumen des NMR-Sensors befinden, werden zu einer phasenkohärenten Schwingung angeregt und erzeugen ein Signal. Durch Relaxation, d.h. durch Energietransferprozesse, geht die Phasenkohärenz verloren und die Schwingung kommt zum Erliegen. Die Amplitude des Signals ist eine Kenngröße für die Anzahl der beteiligten Wasserstoffkerne im erfassten Volumen (Spindichte), während die Relaxationszeiten für die molekulare Beweglichkeit der Kerne charakteristisch sind (Spinbeweglichkeit).

Lösung

In einem Gemeinschaftsprojekt des Fraunhofer IZFP und der Q NET Engineering GmbH wurde ein Messsystem in Aufsatztechnik, basierend auf der Methode der Wasserstoff-Kernspinresonanz, entwickelt. Damit können folgende Werkstoffeigenschaften von Elastomeren ortsauflösend ermittelt werden:

Anwendungsbeispiele

Schichtaufbau von Reifen

Moderne Stahlgürtelreifen sind aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher Kautschukmischung aufgebaut. Mit dem NMR Inspect ist es möglich, die Dicke der einzelnen Schichten zu charakterisieren.

Korrosionsschutzschichten aus Gummi

Mit dem NMR-Prüfgerät kann der Feuchtegehalt in der Gummierung ermittelt werden. Dies ermöglicht eine präzise Vorhersage der Restlebensdauer der Gummierung.

Beschichtete Textilien

Auch elastomerbeschichtete Textilien unterliegen Alterungsprozessen, wenn diese massiven mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt werden. Hier kann der Alterungszustand mit Hilfe des NMR Geräts in Aufsatztechnik nachgewiesen werden.

Ermittlung des Feuchtegehalts in Beton mit NMR in Aufsatztechnik

Situation

Feuchtigkeit im Bauwerk kann zu erheblichen Schaden führen, die es mit rechtzeitiger und effizienter Sanierung einzudämmen oder zu beseitigen gilt. Sanierer von Altbauten beispielsweise benötigen eine zuverlässige Abschätzung des Sanierungsaufwandes. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen wie z.B. Brückenpfeilern ist eine Analyse der feuchtebedingten Schädigungen von hoher Bedeutung, um daraus eine Restlebensdauer abzuleiten.

Effiziente und damit kostengünstige Sanierungsmaßnahmen setzen eine präzise Ortung der Schäden und eine korrekte Diagnose der Feuchtigkeitsbelastung zur Beurteilung des Bauwerkzustandes voraus. Das ist bisher nur stichprobenartig unter Anwendung konventioneller Messverfahren möglich: Bohrkerne werden vom Bauwerk entnommen und anschließend im Labor analysiert.

Bei historisch wertvollen Objekten ist diese Vorgehensweise aufgrund ihres zerstörenden Charakters unerwünscht, bei sicherheitsrelevanter Bausubstanz sind die Stichprobenprüfungen für eine umfassende Schadensanalyse unzureichend. Die Probenentnahme, der Transport ins Labor und die anschließende Reparatur des Prüfobjektes erfordern bisher einen hohen Kostenaufwand.

NMR-Gerät mit Aufsatztechnik
Abbildung 2: NMR-Gerät für die Charakterisierung von Beton

Lösung

Mit dem Prüfsystem NMR-INSPECT wird erstmals eine tragbare NMR-Messtechnik für die Vorort-Prüfung von Baustoffen, also direkt am Bauwerk, zur Verfügung gestellt. Im Gegensatz zur konventionellen NMR-Messtechnik arbeitet die Aufsatztechnik mit einem Sensor, der an das Prüfobjekt herangeführt wird und bei nur einseitigem Zugang eine Prüfung ermöglicht. Probenentnahme und anschließende Reparatur sind auch bei größeren Prüfobjekten, z.B. Mauerwänden, nicht mehr erforderlich.

NMR-INSPECT ermöglicht eine zerstörungsfreie, flächendeckende Ortung und Diagnose von Feuchtigkeitszuständen eines Bauwerkes mit geringern Kostenaufwand.

Vorteile

Messsystem

Der Sensor des Messsystems besteht aus einem starken Permanentmagneten und einer Hochfrequenzantenne, einschließlich Abstimmungselektronik. Im Außenraum des Sensors wird ein kreisscheibenförmiges Messvolumen erzeugt {sensitives Volumen). Durch Änderung der Sendefrequenz der Antenne kann der Abstand zwischen dem Sensor und dem sensitiven Volumen und somit die Messtiefe variiert werden.

Herzstück des Messsystems ist eine Prüfelektronik, die trotz ihrer geringen Größe sehr leistungsfähig ist: Die Pulsleistung beträgt bis zu 30 kW.

Technische Daten

Ansprechpartner

Paul Kröning
Phone: +49 (0) 6 81/9 76 71 53
Fax: +49 (0) 6 81/9 76 71 58