Oberflächenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen

verfasst von

Natalie Vellguth

betreut von

Franz Renz

Abstract

Im Kunststoffbereich werden für spezielle Anwendungen Verbundwerkstoffe mit den vorteilhaf-ten Eigenschaften von Fasern als Verstärkungsmaterial und der Kunststoffmatrix als Kraftüberträ-ger eingesetzt. Die Kompatibilität der beiden Materialien ist dabei essentiell für die Verarbeitung und die späteren Verbundeigenschaften. Neben Hochleistungsfasern wie Carbon werden auch immer häufiger Naturfasern eingesetzt, die in gewissen Anwendungsbereichen vorteilhaftere Ei-genschaften zeigen, wie beispielsweise Handhabung, Verfügbarkeit, (Energie-)Kosten und gleich-zeitig ökologische Aspekte, wie der CO2-Fußabdruck. Naturfasern als Verstärkungskomponente können nicht mit Hochleistungsfasern konkurrieren, sind jedoch für viele Anwendungen interes-sant, in denen diese hohen Anforderungen nicht notwendig sind. Aufgrund ihrer chemischen Beschaffenheit sind Naturfasern hydrophil und thermisch bis etwa 200 °C stabil, weshalb die Ver-arbeitung mit einer hydrophoben Kunststoffmatrix und Kunststoffen mit Schmelzpunkten >200 °C eine große Herausforderung darstellt. Die Verwendung von Naturfasern in technischen Thermoplasten, die höhere Schmelztemperaturen aufweisen, ist zum aktuellen Zeitpunkt daher nicht ohne weiteres möglich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verarbeitung von Naturfasern auch bei Temperaturen im Schmelztemperaturbereich technischer Thermoplaste zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden dafür textile Halbzeuge aus Flachs eingesetzt und in zwei ver-schiedene Polyamide eingearbeitet. Der verwendete Flachs wird zum Schutz vor thermisch indu-zierter Degradation sowohl mittels duromerem Harzsystem auf Basis eines Epoxidharzes beschich-tet und mit einem Standardverfahren für haftvermittelnde Schlichten, der Silanisierung mittels Aminopropyltriethoxysilan, verglichen. Als Polyamidmatrices werden ein petrobasiertes Poly-amid 6, als technischer Thermoplast mit einer Schmelztemperatur >200 °C sowie eine biobasierte PA-Variante Polyamid 11 eingesetzt. Letztere hat eine Schmelztemperatur von unter 200 °C. Die Methoden werden jeweils kombiniert, um Rückschlüsse auf einzelne Behandlungsschritte ziehen zu können. Die Verarbeitung der Materialien findet im Labormaßstab statt. Die Beschichtung erfolgt mittels manueller Walzbeschichtung, um eine gleichmäßige Verteilung des Harzsystems zu erreichen. Die Silanisierung findet im Maßstab der anvisierten Verbundwerkstoffplatten entsprechend in Wan-nen statt. Behandelte und unbehandelte Gewebe werden mithilfe einer Heißpresse und Polyamid-Folien als Matrixmaterial zu Verbundwerkstoffen gepresst und einzelne Prüfkörper aus den Platten gesägt. Zu den Hauptcharakterisierungsmethoden zählen mechanische und thermische Prüfun-gen. An den Proben werden dazu Zug- und Biegeprüfungen durchgeführt und ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Des Weiteren kommt eine thermogravimetrische Analyse zum Einsatz, um die Veränderungen der Eigenschaften verschiedener Behandlungen in Bezug zu thermischen Zersetzungsprozessen zu setzen. Weiterhin werden die Proben verschiedenen Einflüssen wie Kli-mawechseln und isothermen Behandlungen ausgesetzt und anschließend mechanisch charakteri-siert, um die Auswirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit auf die Fasern und die korrespon-dierenden Verbundwerkstoffe in Abhängigkeit von der Faservorbehandlung zu eruieren. Durch die Duromerbeschichtung können Veränderungen in den resultierenden mechanischen Kennwerten festgestellt werden. Insgesamt reduziert sich die Dehnfähigkeit der textilen Halb-zeuge sowie ihrer korrespondierenden Verbundwerkstoffe. Mithilfe der Beschichtung sind auch nach isothermen Behandlungen in der Heißpresse bei 230 °C und nach 600 s höhere mechanische Kennwerte als bei unbehandelten Fasern zu verzeichnen. Zudem zeigen TGA-Messungen, dass die Zersetzung unbeschichteter Fasern und Fasern im Verbundwerkstoff früher einsetzt und über einen längeren Zeitraum anhält. Duromerbeschichtete Fasern hingegen degradieren punktuell und etwas später.

Organisationseinheit(en)

Institut für Anorganische Chemie

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

130

Publikationsdatum

2023

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/14118 (Zugang: Offen)