Meier, Christoph (2017)
Neue Hochtemperatur-Matrixharze für Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Anwendungen von modernen Epoxidharz-basierten Faserverbundwerkstoffen unter erhöhten Temperaturen in der Luft-und Raumfahrt sind limitiert. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK), welche ausgehend von kommerziell erhältlichen Duromerformulierungen hergestellt werden, weisen im Vergleich zu so genannten Hochtemperaturduromeren, wie beispielsweise Cyanateesterharzen, BMI-Harzen oder Polyimidharzen, verminderte Langzeitstabilitäten unter erhöhten Temperaturen auf. Jedoch sind diese Hochtemperatursysteme vergleichsweise teuer, weisen eine Vielzahl von Nachteilen, wie beispielsweise eine erhöhte Sprödigkeit sowie eine geringe hydrolytische Stabilität auf und zeichnen sich zudem durch Schwierigkeiten in der Verarbeitung aus. Folglich müssen geeignete Modifikationsstrategien dieser kommerziell erhältlichen Hochtemperaturduromere erarbeitet werden, was das wesentliche Ziel der vorliegenden Promotion darstellt. Diese Modifikationen werden mittels Formulierung von verschiedenen Hochtemperaturharzsystemen durchgeführt. Um die Schlagzähigkeiten der vernetzten Duromerformulierungen zu verbessern werden zusätzlich unterschiedliche Toughener in Form von Thermoplasten sowie reaktiven Kern / Schale-Polymeren zur Formulierung hinzugegeben.

Drei verschiedene Ansätze der Modifizierung von Hochtemperaturduromeren werden im Rahmen der vorliegenden Studie durchgeführt:

1. Formulierung eines Cyanatesterharzes mit einem Naphthalin-basierten und tetrafunktionalen Epoxidharzes ohne einen signifikanten Verlust der Glasübergangstemperatur Tg des gehärteten Materials. Die vernetzten Duromere weisen eine, im Vergleich zu unmodifizierten Cyanatesterharzen, erhöhte hydrolytische Beständigkeit auf. Zusätzlich wurden CFK-Strukturen mit Hilfe der VARTM-Technologie hergestellt. Diese Faserverbundmaterialien erfüllen die mechanischen Anforderungen und übertreffen sogar die thermischen Anforderungen für Strukturbauteile unter erhöhten Temperaturen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. 2. Synthese und Anwendung in Epoxidharzen von latent härtenden Zink-Imidazol Komplexen für eine sehr schnelle Vernetzungen von Hochtemperatur-stabilen Epoxidharzformulierungen im Hinblick auf die Verbesserung des Herstellungsprozesses im Sinne von kürzeren Härtungszyklen solcher Harzsysteme. 3. Formulierung eines Phenylethinyl-terminierten Imids (PETI) mit Cyanatester- sowie Epoxidharzen im Hinblick auf die Ausbildung von interpenetrierenden polymeren Netzwerken (IPN). Die Verknüpfung von zwei bis drei unterschiedlichen Harzsystemen wird über den Einsatz des Phasenvermittlers 2,2`-Diallybisphenol A (DABPA) realisiert. In diesem Zusammenhang ist die Copolymerisation der Allylfunktionen von DABPA und der Phenylethinylfunktionen des PETI Harzes mittels DSC, DMTA, TGA, FT-IR und REM untersucht. Die dargestellten IPN`s weisen einzigartige Eigenschaften im Sinne der thermischen und mechanischen Leistungsfähigkeiten sowie deren thermisch-hydrolytischer Beständigkeiten im Vergleich zu reinen Cyanatesterharzen auf. Im Gegensatz zu unmodifizierten PETI Systemen können die Harzformulierungen in kommerziellen LCM-Prozessen aufgrund ihrer geringen Viskositäten sowie Schmelztemperaturen zu CFK-Materialien verarbeitet werden. Die hergestellten Faserverbundwerkstoffe erfüllen ebenso die mechanischen Anforderungen und übertreffen die thermischen Anforderungen für Strukturbauteile unter erhöhten Temperaturen in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Der wesentliche Bestandteil dieser Dissertation bildet die Untersuchung sowie die Interpretation der Einflüsse der unterschiedlichen Modifikationen auf die physikalisch / chemischen sowie die mechanischen Eigenschaften (Schlagzähigkeit, Viskosität, Glasübergangstemperatur, thermische- und thermisch hydrolytische Degradation, Wasseraufnahme,Vernetzungsverhalten) der Duromersysteme im Reinharz sowie in den zugehörigen Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen.

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