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Die Effekte von SiO2 -Nanopartikeln in schlagzähmodifizierten Epoxidharzen und daraus hergestellten Faserverbundwerkstoffen

Die Eigenschaften von gehärteten Epoxidharzen können durch den Zusatz von oberflächenmodifizierten SiO2 -Nanopartikeln deutlich verbessert werden. Es besteht für die meisten Härter ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Steigerung des Moduls bzw. der Bruchzähigkeit und der Zusatzmenge an Nanopartikeln. Druckbeständigkeit und Ermüdungsverhalten können ebenfalls verbessert werden. Kombiniert man diese Modifikation mit der klassischen Schlagzähmodifizierung unter Verwendung von reaktiven Flüssigkautschuken oder Core-Shell-Elastomeren, so erhält man sogenannte Hybridsysteme, welche sich durch eine besonders hohe Zähigkeit bei gleichzeitiger Steifigkeit auszeichnen. Auch das Ermüdungsverhalten wird weiter verbessert.

Beim Einsatz dieser modifizierten Harze zur Herstellung von Laminaten können an diesen ebenfalls Eigenschaftsverbesserungen beobachtet werden. Unabhängig davon, ob Glas- oder Carbonfasern als Verstärkungsmaterial eingesetzt werden, fallen diese Verbesserungen prozentual deutlich geringer aus. Es scheint eine lineare Beziehung zwischen den prozentualen Steigerungen der Bruchzähigkeit (GIc) der gehärteten Reinharzhybridsysteme und den daraus hergestellten Laminaten zu existieren; mit einem Übertragungsfaktor von 0,18. Beim Ermüdungsverhalten der Laminate auf Hybridharzbasis kann eine zehnfache Steigerung der zyklischen Belastung bis zum Versagen erzielt werden. Sie sind daher besonders für hochbelastete Bauteile wie beispielsweise in automobilen Anwendungen geeignet.

Unter Verwendung eines schnellhärtenden Epoxidharzsystems basierend auf DGE-BA/IPD/TMD wurden kohlefaserverstärkte Laminate mittels RTM hergestellt und untersucht. Die gehärteten Reinharzsysteme zeigen für die Hybride die erwarteten Eigenschaftsverbesserungen. Die Laminate auf Basis Hybridharz, sowohl mit reaktivem Flüssigkautschuk als auch mit SiO2 -Nanopartikeln modifiziert, weisen jedoch keine weitere Verbesserung der Bruchzähigkeit gegenüber der reinen Kautschukmodifikation auf, sondern eher geringfügig niedrigere Werte für GIc und GIIc. Die ILSS ist vergleichbar; die Restdruckfestigkeit nach Impact jedoch verringert. Eine mögliche Ursache sind die entdeckten Agglomerate der SiO2 -Nanopartikel. Sie entstehen während der raschen Vernetzung in Gegenwart von reaktivem Flüssigkautschuk; wahrscheinlich verursacht durch die erzwungene schnelle Phasentrennung des Kautschuks während der Härtung.

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 Stephan  Sprenger

Stephan Sprenger
Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe
Universität Bayreuth

Informationen

Freie Schlagwörter: Faserverbundwerkstoffe, GFK, CFK, schlagzähe Epoxidharze, SiO2 -Nanopartikel, Hybridharzsysteme, Übertragungsfaktor, KIc, GIc, Ermüdung
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth
Sprache: Englisch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Karl Schulte
Erscheinungsjahr: 2015
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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