Oberflächenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Natalie Vellguth

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoctor rerum naturalium
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Franz Renz, Betreuer*in
Förderer
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Datum der Verleihung des Grades6 Juli 2023
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

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.

Ziele für nachhaltige Entwicklung

Zitieren

Oberflächenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen. / Vellguth, Natalie.
Hannover, 2023. 130 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Vellguth, N 2023, 'Oberflächenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen', Doctor rerum naturalium, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/14118
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@phdthesis{957b68868a9e4244a3e599918104a108,
title = "Oberfl{\"a}chenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen",
abstract = "Im Kunststoffbereich werden f{\"u}r spezielle Anwendungen Verbundwerkstoffe mit den vorteilhaf-ten Eigenschaften von Fasern als Verst{\"a}rkungsmaterial und der Kunststoffmatrix als Kraft{\"u}bertr{\"a}-ger eingesetzt. Die Kompatibilit{\"a}t der beiden Materialien ist dabei essentiell f{\"u}r die Verarbeitung und die sp{\"a}teren Verbundeigenschaften. Neben Hochleistungsfasern wie Carbon werden auch immer h{\"a}ufiger Naturfasern eingesetzt, die in gewissen Anwendungsbereichen vorteilhaftere Ei-genschaften zeigen, wie beispielsweise Handhabung, Verf{\"u}gbarkeit, (Energie-)Kosten und gleich-zeitig {\"o}kologische Aspekte, wie der CO2-Fu{\ss}abdruck. Naturfasern als Verst{\"a}rkungskomponente k{\"o}nnen nicht mit Hochleistungsfasern konkurrieren, sind jedoch f{\"u}r 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 gro{\ss}e Herausforderung darstellt. Die Verwendung von Naturfasern in technischen Thermoplasten, die h{\"o}here Schmelztemperaturen aufweisen, ist zum aktuellen Zeitpunkt daher nicht ohne weiteres m{\"o}glich. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verarbeitung von Naturfasern auch bei Temperaturen im Schmelztemperaturbereich technischer Thermoplaste zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden daf{\"u}r 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 f{\"u}r 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 R{\"u}ckschl{\"u}sse auf einzelne Behandlungsschritte ziehen zu k{\"o}nnen. Die Verarbeitung der Materialien findet im Laborma{\ss}stab statt. Die Beschichtung erfolgt mittels manueller Walzbeschichtung, um eine gleichm{\"a}{\ss}ige Verteilung des Harzsystems zu erreichen. Die Silanisierung findet im Ma{\ss}stab der anvisierten Verbundwerkstoffplatten entsprechend in Wan-nen statt. Behandelte und unbehandelte Gewebe werden mithilfe einer Hei{\ss}presse und Polyamid-Folien als Matrixmaterial zu Verbundwerkstoffen gepresst und einzelne Pr{\"u}fk{\"o}rper aus den Platten ges{\"a}gt. Zu den Hauptcharakterisierungsmethoden z{\"a}hlen mechanische und thermische Pr{\"u}fun-gen. An den Proben werden dazu Zug- und Biegepr{\"u}fungen durchgef{\"u}hrt und ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Des Weiteren kommt eine thermogravimetrische Analyse zum Einsatz, um die Ver{\"a}nderungen der Eigenschaften verschiedener Behandlungen in Bezug zu thermischen Zersetzungsprozessen zu setzen. Weiterhin werden die Proben verschiedenen Einfl{\"u}ssen wie Kli-mawechseln und isothermen Behandlungen ausgesetzt und anschlie{\ss}end mechanisch charakteri-siert, um die Auswirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit auf die Fasern und die korrespon-dierenden Verbundwerkstoffe in Abh{\"a}ngigkeit von der Faservorbehandlung zu eruieren. Durch die Duromerbeschichtung k{\"o}nnen Ver{\"a}nderungen in den resultierenden mechanischen Kennwerten festgestellt werden. Insgesamt reduziert sich die Dehnf{\"a}higkeit der textilen Halb-zeuge sowie ihrer korrespondierenden Verbundwerkstoffe. Mithilfe der Beschichtung sind auch nach isothermen Behandlungen in der Hei{\ss}presse bei 230 °C und nach 600 s h{\"o}here mechanische Kennwerte als bei unbehandelten Fasern zu verzeichnen. Zudem zeigen TGA-Messungen, dass die Zersetzung unbeschichteter Fasern und Fasern im Verbundwerkstoff fr{\"u}her einsetzt und {\"u}ber einen l{\"a}ngeren Zeitraum anh{\"a}lt. Duromerbeschichtete Fasern hingegen degradieren punktuell und etwas sp{\"a}ter.",
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language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

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T1 - Oberflächenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen

AU - Vellguth, Natalie

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - 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.

AB - 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.

U2 - 10.15488/14118

DO - 10.15488/14118

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -