Koppelzonen und Koppelstrukturen in Verbundwerkstoffen zur Kompatibilisierung unterschiedlicher polymerer Werkstoffe (PKA Kompatibilisierung)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit der im Antrag beschriebenen Fügemethode soll eine Alternative zu bekannten Fügetechniken im Bereich der Kunststoffverarbeitung wie z.B. Kleben oder Nieten untersucht werden, die für eine Verbindung Duromer-Duromer oder Duromer-Thermoplast bisher nicht erforscht ist. Zur Ausbildung einer möglichst starken Anbindung zwischen einer Thermoplastschicht und einem Duromeren wird die Löslichkeit vieler Thermoplasten in unausgehärteten Duromersystemen genutzt. Die Verbindung zwischen Thermo- und Duromersystem entsteht dabei über Diffusionsvorgänge während des Aushärtungsprozesses des Duromeren. Im Rahmen der Arbeit wurden verschiedene Thermoplast-Duromer-Kombinationen systematisch in Bezug auf ihre Eignung zur Herstellung von Verbindungen während des „normalen“ Aushärtezykluses der Duromerkomponente untersucht. Versuchsreihen dieser Art wurden bis zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche Thermoplast-Duromer wurden untersucht. Die Diffusionsvorgänge sowie die Bildung von Thermoplast-Duromer-Lösungen (so genannte Semi-Interpenetrierende-Polymernetzwerke (SIPN)) sind in der Chemie bereits seit längerem bekannt, wurden aber überwiegend unter dem Gesichtspunkt der Eignung zur Herstellung von porösen Polymermembranen untersucht. In vielen Fällen wurden die mechanischen Kennwerte (E-Modul, Zugfestigkeit) ermittelt, jedoch nicht die der Grenzfläche Thermoplast-Duromer. Dabei kamen überwiegend Polymerkombinationen zum Einsatz, die für die für den Einsatz in Bauteilen von keiner oder nur geringer Bedeutung sind. Genutzt wird die Löslichkeit von Thermoplasten in Duromeren auch zur Schlagzähmodifizierung von EP-Prepreg-Systemen (z.B. Cytec 977, Hexcel 6376). Hier werden bis zu ca. 15 % Thermoplast (meist PEI oder PES) homogen in das Duromersystem eingebracht. Für spätere Arbeiten stellt das Verschweißen von mit thermoplastischen Funktionsschichten versehenen duromerischen Strukturbauteilen einen wichtigen Punkt dar. Dieses Fügeverfahren wäre besonders für Bereiche interessant, in denen sehr große Bauteile benötigt werden, die sich nicht in einem Stück fertigen lassen (z.B. Flugzeugbau). Hierbei ist die patentrechtliche Situation zu berücksichtigen die weitere Forschung geringfügig einschränkt. Das Verschweißen von mit thermoplastischen Funktionsschichten versehenen Bauteilen könnte bisherige arbeits- und zeitaufwendige Fügeverfahren wie Nieten und Kleben ablösen. Ein weiterer Vorteil dieser Fügemethode gegenüber Nieten ist die Vermeidung von Spannungskonzentrationen an den Nieten sowie eine Struktur, die nicht durch Unterbrechung des Faserverlaufs (durch Bohrlöcher für die Niete) beschädigt ist. Hierdurch würde eine materialsparende, leichtere und somit energiesparende Bauweise möglich. Um größere Bauteile dieser Art zu schweißen, müssen geeignete Schweißverfahren ermittelt und optimiert werden. Neben den Schweißparametern wie Druck, Schweißzeit und Temperatur muss auch die optimale Dicke der Thermoplastschicht für diesen Prozess ermittelt werden. Zusätzlich sind Untersuchungen an praxisrelevanten Duromer-Thermoplast-Kombinationen nötig. Auch zur Diffusionszone sind weitere Untersuchungen nötig. Die häufig auftretenden Entmischungen von Thermoplast und Duromer verändert die mechanischen Eigenschaften des Materials gravierend. Besonders betroffen von diesen Veränderungen sind die Kennwerte Bruchzähigkeit und Scher-/Schubfestigkeit. Grundlegende Untersuchungen zu kritischen Thermoplastkonzentrationen etc. wären auch für die Schlagzähmodifizierung und den Einsatz von thermoplastischen Bindern in Faserhalbzeugen von Interesse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Thermoplastic Layers Upon Thermoset Composites - A Material Characterisation. 7th European Adhesion Conference - EURADH 2004 September 5-9, 2004, Freiburg im Breisgau/Germany
- Thermoplastische Funktionsschichten für das Duroplastschweißen – eine werkstoffliche Charakterisierung. Jahresbericht 2004 des Institutes für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der TU Clausthal
Ziegmann, G.; Bosse, M.; Markus, S.
- A Study on a new Joining Concept for Thermoset composites. Adhesion ‘05 – 9 September 2005, St. Catherine’s College, Oxford, UK
Niemeyer, S., Ziegmann, G.
- Fügetechnik von Thermo- und Duroplasten Charakterisierung von Hochleistungswerkstoffen mittels thermischer und rheologischer Analytik. TA-Tagung, Oktober 2005, Clausthal-Zellerfeld
Niemeyer, S., Ziegmann, G.
- Werkstoffforum, HannoverMesse 2005. Verbindung von duromeren und thermoplastischen Systemen
Niemeyer, S., Ziegmann, G.
- Koppelzonen und Koppelstrukturen in Verbundwerkstoffen aus Thermoplasten und Duromeren. Symposium zum Paketantrag „Kompatibilisierungsmethoden“, November 2006, Clausthal-Zellerfeld
Niemeyer, S., Ziegmann, G.
