Oberflächenmodifizierung von Fasermaterialien und textilen Halbzeugen zur Verwendung in Faserverbundwerkstoffen

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.

In the plastics sector, composites with the advantageous properties of fibers as reinforcing material and the plastic matrix as force transmitter are used for special applications. The compatibility of the two materials is essential for processing and the resulting composite properties. In addition to high-performance fibers such as carbon, natural fibers are also being used more and more fre-quently, which show more advantageous properties in certain areas of application, such as han-dling, availability, (energy) costs and, at the same time, ecological aspects such as the CO2 foot-print. Natural fibers as reinforcement components cannot compete with high-performance fibers, but are interesting for many applications in which these high requirements are not necessary. Due to their chemical structure and composition, natural fibers are hydrophilic and thermally stable up to about 200 °C, which is why processing with a hydrophobic plastic matrix and plastics with melting points >200 °C is challenging. The use of natural fibers in engineering thermoplastics, which have higher melting temperatures, is therefore not readily possible at present. The aim of this work is to realize the processing of natural fibers also at temperatures in the melting temper-ature range of engineering thermoplastics. In the present work, semi-finished textiles made of flax are used for this purpose and incorporated into two different polyamides. The flax used is coated with a thermoset resin system based on an epoxy resin to protect it from thermally induced degradation and compared with a standard pro-cess for adhesion-promoting sizing, silanization with aminopropyltriethoxysilane. The polyamide matrices used are a petro-based polyamide 6, an engineering thermoplastic with a melting tem-perature >200 °C, and a bio-based PA variant polyamide 11. The latter has a melting temperature below 200 °C. The methods are combined in each case in order to be able to draw conclusions about individual treatment steps. The processing of the materials takes place on a laboratory scale. Coating is carried out by means of manual coating by using rollers to achieve uniform distribution of the resin system. Silanization takes place on the scale of the targeted composites accordingly in plastic tanks. Treated and un-treated fabrics are pressed into composites using a hot press and polyamide films as matrix mate-rial, and individual test specimens are sawn from the resulting composites. The main characteri-zation methods include mechanical and thermal tests. For this purpose, tensile and bending tests are carried out on the specimens and their mechanical properties are investigated. Furthermore, a thermogravimetric analysis is used to relate the changes in properties of different treatments to thermal decomposition processes. Additionally, the samples will be exposed to various influences such as climate changes and isothermal treatments and then mechanically characterized in order to determine the effects of temperature and humidity on the fibers and the corresponding com-posites as a function of the fiber pretreatment. Due to the thermoset coating, changes in the resulting mechanical properties can be observed. Overall, the stretchability of the semi-finished textile products and their corresponding composites is reduced. With the aid of the coating, even after isothermal treatments in the hot press at 230 °C and after 600 s, higher mechanical properties are recorded than with untreated fibers. In addition, TGA measurements show that the degradation of uncoated fibers and fibers in the composite starts earlier and lasts for a longer period. Thermoset-coated fibers, on the other hand, degrade punctual and later.