Kurzfasermodifikation matrixreicher Zonen gewebeverstärkter, thermoplastischer Verbundwerkstoffe mittels In-Situ-Schmelzeimprägnierung : Einfluss auf quasi-statische Eigenschaften

Titelangaben

Mörl, Stefan:
Kurzfasermodifikation matrixreicher Zonen gewebeverstärkter, thermoplastischer Verbundwerkstoffe mittels In-Situ-Schmelzeimprägnierung : Einfluss auf quasi-statische Eigenschaften.
Bayreuth , 2022 . - XIII, 199 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006024

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Abstract

Für einen effizienten Leichtbau, speziell im Verkehrswesen, werden aufgrund der wirtschaftlichen Verarbeitung, unbegrenzten Lagerung sowie der Recyclingfähigkeit vermehrt Faserverbundkunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix eingesetzt. Diese sogenannten Organobleche nutzen häufig textile Gewebe als Verstärkungsmedium zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Aufgrund der textilen Architektur dieser Gewebe aus sich kreuzenden Faserbündel bilden sich matrixreiche Zonen im Organoblech, welche verhindern, dass das Eigenschaftspotential voll genutzt werden kann. Eine Modifikation dieser matrixreichen Zonen stellt somit einen konsequenten Ansatz zur Optimierung der Performance von gewebeverstärkten Faserverbundwerkstoffen dar.
Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss einer Kurzfasermodifikation der matrixreichen Zonen von gewebeverstärkten, thermoplastischen Verbundwerkstoffen im Sinne von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufzuklären. Von der Infiltration des Gewebes, über die Morphologie, bis hin zu deren Auswirkung auf die quasi-statischen Eigenschaften soll der Einfluss von Kurzfasern ganzheitlich aufgezeigt und die morphologischen mit den mechanischen Einflüssen korreliert werden. Zur Erreichung des wissenschaftlichen Ziels ist die Etablierung eines Konzeptes zur kontinuierlichen Imprägnierung von textilen Geweben mit thermoplastischer, kurzfasermodifizierter Matrix erforderlich, welche deshalb das technische Ziel dieser Arbeit darstellt.
Aufbauend auf einem Anlagenkonzept zur Direktkaschierung und Grundlagen zur Imprägnierung von Geweben wird eine Technologie zur kontinuierlichen Imprägnierung von textilen Geweben aus der Schmelze entwickelt. Diese ermöglicht im Rahmen der Arbeit die Infiltration eines Glasfasergewebes mit Polyamid 6 und unterschiedlichen Konzentrationen an Kurzglas- sowie recycelten Kurzkohlenstofffasern. Die morphologischen Studien zeigen auf, dass sich die Kurzfasern bis zu einem Volumenanteil von 3,6 % in den Ondulationen bzw. zwischen den Faserbündeln anlagern, was auf die initiale Makroimprägnierung zurückzuführen ist. Eine weitere Steigerung des Kurzfasergehalts führt hingegen zur Ausbildung von Interleaf-Strukturen.
Die Kurzfasermodifikation der Ondulationen sowie der Bereiche zwischen den Faserbündeln bewirkt eine deutliche Steigerung der elastischen Eigenschaften sowohl unter gewebedominierten Zuglasten, als auch unter Druck- und Schubbelastung. Die verarbeitungsinduzierte Orientierung der Kurzfasern begründet die ausgeprägte Verbesserung des elastischen Materialverhaltens in Extrusionsrichtung. Ein Einfluss der eingesetzten Kurzfasern, hinsichtlich ihrer Anisotropie bzw. Isotropie, kann auf die Eigenschaften in und senkrecht zur Extrusionsrichtung, speziell unter Druckbelastung, beobachtet werden. Die Erhöhung des Schubmoduls um bis zu 70 % verdeutlicht am eindrucksvollsten den Effekt einer Kurzfasermodifikation von gewebeverstärkten Organoblechen. Im Falle der Kurzkohlenstofffasern konnte hierbei aufgezeigt werden, dass die Formierung von transkristallinen Strukturen die Steifigkeitsteigerung mit beeinflusst. Eine Potentialanalyse zum Abschluss der Arbeit belegt, dass vollimprägnierte, kurzfasermodifizierte Organotapes mittels der entwickelten Technologie zur kontinuierlichen Imprägnierung bei einer Produktionsgeschwindigkeit von 2,4 m/Min hergestellt werden können.

Abstract in weiterer Sprache

For efficient lightweight construction, especially in the transport sector, fiber-reinforced plastics with a thermoplastic matrix are increasingly being used due to their economic processing, unlimited storage and recyclability. These so-called organo sheets often use textile fabrics as a reinforcement medium to increase the mechanical properties. Due to the textile architecture of these fabrics made of intersecting fiber bundles, resin-rich zones form in the organo sheet, which prevent the full potential of properties from being used. A modification of these matrix-rich zones thus represents a consistent approach to optimizing the performance of fabric-reinforced fiber composite materials.
The overriding goal of the present work is therefore to elucidate the influence of short fiber modification of the resin-rich zones of fabric-reinforced, thermoplastic composite materials in terms of structure-property relationships. The influence of short fibers from the infiltration of the fabric through the morphology to their effect on the quasi-static properties should be shown holistically and the morphological and mechanical influences should be correlated. To achieve the overriding goal, the establishment of a concept for the continuous impregnation of textile fabrics with a thermoplastic, short fiber modified matrix is therefore necessary and forms the technical goal of this thesis.
Based on a system concept for direct lamination and scientific and technical principles for impregnation, a technology for the continuous impregnation of textile fabrics from the melt is being developed. As part of the work, this enables the infiltration of a glass fiber fabric with polyamide 6 and different concentrations of short glass and recycled short carbon fibers. The morphological studies show that, due to the initial macro-impregnation, the short fibers accumulate up to a volume fraction of 3.6 % in the undulations or between the fiber bundles. A further increase in the short fiber content, however, leads to the formation of interleaf structures.
The short fiber modification of the undulations as well as the areas between fiber bundles shows a clear increase in the elastic properties under fabric-dominated tensile loads as well as under pressure and shear loads. The processing-induced orientation of the short fibers is the reason for the consistently pronounced improvement in the elastic material behavior in the extrusion direction. In addition to the processing-induced orientation, an influence of the anisotropy or isotropy of the short fibers used on the properties in and against the direction of extrusion, especially under compression loading, can be observed. The increase in the shear modulus by up to 70 % most impressively illustrates the effect of short-fiber modification of fabric-reinforced organo sheets. In the case of short carbon fibers, it could be shown that the formation of transcrystalline structures also influences the increase in stiffness. A potential analysis at the end of the thesis shows that fully impregnated, short-fiber modified organotapes can be produced using the technology developed for continuous impregnation at a production speed of 2.4 m/min.