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Neue Hochtemperatur-Matrixharze für Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe

Meier, Christoph :
Neue Hochtemperatur-Matrixharze für Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6579]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6579

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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Meier, Christoph
Titel: Neue Hochtemperatur-Matrixharze für Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe
Sprache: Deutsch
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.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Makromolekulare Chemie
Hinterlegungsdatum: 09 Jul 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6579
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65793
Gutachter / Prüfer: Rehahn, Prof. Dr. Matthias ; Biesalski, Prof. Dr. Markus
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 März 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Currently, the applications of epoxy based composites in aerospace parts exposed to higher temperatures are limited. Carbon fiber reinforced composites (CFRP) that are manufactured with commercially available aerospace resins have a minor long-term durability under elevated temperatures compared to other thermoset systems, such as cyanate esters, BMI`s or polyimides. However, these systems are relatively costly, have various drawbacks such as an enhanced brittleness and a minor hydrolytic stability and present challenges during processing. Consequently, suitable modification strategies of these commercially available and so called high temperature resins have to be investigated, which is the main goal of this thesis. These modifications are executed by formulations of various high temperature resin systems. In addition, different modifiers, like thermoplastics and reactive core/shell particles are added to these formulations in order to improve the poor mechanical properties of the thermosets. In the frame of this thesis, three different approaches for the modification of high temperature resins have been conducted. 1. Formulation of a cyanate ester with a naphthalene-based and tertafunctional epoxy resin without a significant decrease of the glass transition temperature Tg of the cured material. The thermosets show enhanced hydrolytic resistance compared to the unmodified cyanate ester. In addition, CFRP structures are manufactured by vacuum assisted resin transfer molding (VARTM). These composites meet the mechanical requirements and exceed the thermal requirements of the aerospace industry for structural bearing parts under elevated temperatures. 2. Synthesis and application in unreinforced thermosets of zinc-imidazole complexes for latent and very fast curing of high temperature stable epoxy formulations in order to improve the manufacturing process in terms of shorter curing cycles of these resin systems. 3. Formulation of a phenylethynyl-terminated imide (PETI) resin with cyanate esters and epoxies in order to build up interpenetrating polymer networks (IPN). The connection of two or three different thermoset networks is realized by the addition of the compatibiliser 2,2`-Diallylbisphenol A (DABPA). In this regard, the copolymerisation between the allyl-functionalities of DABPA and the phenylethynyl- functionalities of the PETI resin is mechanically postulated on the basis of DSC, DMTA, TGA, FT-IR and SEM characterisations. The manufactured IPN`s present unique properties in terms of thermal, mechanical and hygrothermal resistance compared to the unmodified cyanate ester. Compared to unmodified PETI resins, the new resin formulations can be applied in liquid composite molding (LCM) processes for the manufacturing of CFRP structures since they show very low melting viscosities and melting temperatures. These composites also meet the mechanical requirements and exceed the thermal properties of the aerospace industry for structural bearing parts under elevated temperatures. In this regard, the essential elements of this thesis are the investigations and the interpretation of the influences from the above mentioned modifications to the physical / chemical as well as the mechanical properties of the thermoset systems in the unreinforced resins and in the corresponding composites.Englisch
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