Carbamat-geschäumte Epoxidharze : Synthese und Eigenschaften

Titelangaben

Bethke, Christian:
Carbamat-geschäumte Epoxidharze : Synthese und Eigenschaften.
Bayreuth , 2024 . - XI, 168 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00008007

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Abstract

Duromere Hartschaumsysteme finden in Strukturbauteilen für den Leichtbau im Bereich Bau- und Transportwesen überall dort Anwendung, wo die Performance von thermoplastischen Systemen nicht ausreicht oder das Preis-Leistungsverhältnis diese begünstigt. Die wichtigsten Eigenschaften der hoch vernetzten Systeme sind dabei die geringe Kriechneigung sowie eine hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Epoxidharzschäume sind in der Vergangenheit durch den Einsatz überwiegend bedenklicher Treibmittel durch Alternativen aus Polyurethan, Polyimid und anderer Systeme verdrängt worden. Die einzigartige Eigenschaftsvielfalt der Epoxidharze favorisiert diese jedoch in vielen Bereichen, weshalb die Forschung an neuen alternativen Treibmitteln und optimierten Epoxidharzschäumen zunimmt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Evaluierung von Carbamaten als dual funktionale, latente Härter mit reversibel angelagertem CO2 als Treibmittel für die Herstellung von Hochleistungsepoxidharzschäumen. Die Arbeit umfasst dabei drei Teilaspekte.
Im ersten Teil werden drei ausgewählte Amine hinsichtlich ihres Syntheseverhaltens für die Carbamatbildung untersucht. Die gebildeten Carbamate werden auf ihre molekulare Struktur und ihre Zersetzungseigenschaften eingehend charakterisiert.
Im zweiten Teil werden die drei Carbamate zunächst mit Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA) unter isothermen Bedingungen bei unterschiedlichen Temperaturen verarbeitet und das Schäumverhalten anhand kinetischer Studien mit den Eigenschaften der Amine und der Carbamate korreliert. Anschließend wird ein Carbamat für weitere Studien mit unterschiedlichen Blendverhältnissen aus Amin + Carbamat ausgewählt und zunächst mit DGEBA verschäumt. Dabei wird der Einfluss der Vorvernetzung auf die Schaumeigenschaften untersucht. Das vielversprechendste System wird anschließend in unterschiedlichen Dichten verschäumt um die resultierenden Eigenschaften bei Dichten im Bereich 300 bis 860 kg/m 3 untersuchen zu können. Anschließend werden die Erkenntnisse zum Schäumen mit Härterblends mit dem ausgewählten System auf zwei weitere Epoxidharze zum Schäumen bei unterschiedlicher Dichte übertragen.
Im abschließenden Teil zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften werden die hergestellten Schäume in Druck- und Drei-Punkt Biegetests bei Raum- sowie Hochtemperatur bis 200 °C untersucht und mit zwei Referenzsystemen verglichen. Dabei konnte ein Zusammenhang der mechanischen Eigenschaften mit der Dichte in Abhängigkeit des Basissystems aufgezeigt werden. Die Performance der eigenen Systeme ist dabei vielversprechend, zeigt jedoch Potenzial für weitere Verbesserungen, z.B. durch Additivierung.

Abstract in weiterer Sprache

Thermoset rigid foam systems are applied in lightweight designs for construction and automotive industry wherever the performance of thermoplastic systems is not sufficient or the performance/price ratio is more suitable. The most important properties of the highly cross-linked systems are its low tendency to creep as well as its high temperature and chemical resistance. Epoxy foams faced a lot of restrictions in the past due to the predominant application of blowing agents which are meanwhile classified as hazardous. They got replaced by alternatives based on Polyurethane, Polyimide and other systems. However, the unique properties of epoxy based systems still favours them for many applications, leading to an increased interest in research for new alternative blowing agents and optimized epoxy foams.
The aim of the presented thesis is the evaluation of carbamates as dual-functional latent curing agents with reversibly attached CO 2 as blowing agent for the production of high performance epoxy foams. Therefore, the thesis is focussing three aspects.
The first part is related on the carbamate synthesis, where the synthesis behaviour of three selected amines is investigated. The formed carbamates are characterized further with regard to its molecular structure and decomposition behaviour.
In the second part, all three carbamates are processed with Bisphenole-A-diglycidylether (DGEBA) and foamed under isothermal conditions at different temperatures. The foaming behaviour is correlated with kinetic studies and the properties of the amines and carbamates. Afterwards, one carbamate is selected for further investigations based on hardener blend systems of amine + carbamate and foamed with DGEBA. Here, the influence of pre-curing on the foaming behaviour is investigated. The most promising system is foamed with different target densities in the range of 300 to 860 kg/m 3 . Finally, the gained knowledge for foaming with the selected hardener blend system is transformed to two more epoxy resins for foaming with different target densities.
The third part is focussing the mechanical properties of the foams in compression and three-point-bending tests at room- and high-temperatures up to 200 °C, which are compared with two reference systems. Thereby, a correlation of the density in dependency of the basic resin system was shown. The performance of the own foam systems is promising in comparison to the reference systems. However, the ability for further improvement of the systems, for example with additives, was found to be suitable for an even higher performance in later applications.