Wechselwirkung zwischen Epoxidmatrix und Nanopartikel

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Georg Garnweitner; Dr. Dorothee Silbernagl; Professor Dr. Heinz Sturm
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232311024

Die Kernaufgabe des TP1 war in der ersten Förderperiode die quantitative, bildgebende Messung der mechanischen Eigenschaften von Nanopartikel (NP)-modifizierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Die Analyse lokaler physikalisch-chemischer Eigenschaften des FKV mit dem AFM zeigte den starken Einfluss der Partikel-Matrix-Interphase auf die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Oberflächenmodifizierung. Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass die Ergebnisse auf der submikro-Skala sehr gut mit Ergebnissen der makroskopischen mechanischen Versuche wie Biegemodul, Zugmodul sowie Bruchdehnung und Bruchspannung unter Zugbelastung korrelieren. Die erste Förderperiode war auf Primärpartikel (14nm) und ihre Interphase zur Matrix fokussiert. In der zweiten Phase sollen zudem Messungen an Agglomeraten durchgeführt, bezüglich der Interphasen zwischen den Nanopartikeln untersucht und zu ihrer Rolle unter mechanischer Last bewertet werden. Zusätzlich werden die Arbeiten in zwei Richtungen ausgebaut, um ein umfassendes Verständnis der Eigenschaftsveränderung von FKV durch die Einbettung der NP entlang der Prozesskette zu erhalten.Um den Einfluss der Partikeloberfläche detaillierter zu untersuchen, wird eine Modifizierung der NP auf chemisch hoch definierte Weise durch die AG Garnweitner durchgeführt. Diese Nanopartikel werden im Labormaßstab eingebettet und mit AFM- und dielektrisch-spektroskopischen Methoden in der AG Sturm/Silbernagl untersucht. Dabei wird das interaktive Vorgehen beibehalten, mechanische Eigenschaftskarten der eingebetteten Nanopartikel zur Nutzung in numerischen Modellierungen (TP2, AG Rolfes) zur Verfügung zu stellen.Zudem wird das Analyseportfolio um breitbandige dielektrische Spektroskopie (BDS, AG Silbernagl/Sturm) ergänzt. Diese Methode ist im Gegensatz zur AFM nicht bildgebend, sondern misst integral über ein Werkstoffvolumen im mm³-Bereich. Dafür liefert diese Methode aber molekulare Beweglichkeiten und bietet damit sogar eine höhere Empfindlichkeit auf molekularer Ebene als die AFM: Frequenzabhängige Untersuchungen bei verschiedenen Partikelkonzentrationen zeigen die Partikelmenge und separat ihre Matrix-Wechselwirkungen oder Interphasen. Temperaturabhängige BDS erlaubt Rückschlüsse, ob molekulare Beweglichkeit lokalisiert oder kooperativ ist.Neben der analytisch-synthetischen Kernaufgabe wird mit TP4 an einer neuen Technik zum Einbringen der NP an kritische Stellen im Verbundwerkstoff mittels Nano-Carrier-Vlies gearbeitet. Dazu werden NP in elektrogesponnene Thermoplast-Fasern eingebettet. Das entstandene Vlies kann im Formwerkzeug gezielt platziert werden, die Faser löst sich im injizierten, heißen Epoxidharz auf und hinterlässt die Nanopartikel in der Matrix (AG Silbernagl/Sturm).

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2021: Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Andreas Schönhals
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Erik Dümichen; Privatdozentin Dr. Franziska Emmerling; Dr. Gerhard Kalinka