Einfluss der Grenzflächen nanoskaliger Matrixadditive auf das Schlagzähigkeitsverhalten von Faserverbunden

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Partikel-Matrix-Grenzfläche auf die mechanischen Eigenschaften von duroplastischen, faserverstärkten Nanokompositen. Als Ausgangsmaterialien werden Epoxidharz, Böhmitpartikel und Kohlenstofffasern verwendet. Weiterhin werden die Böhmitpartikel mit verschiedenen Oberflächenmodifikationen eingesetzt, um gezielt die Partikel-Matrix-Grenzfläche zu beeinflussen. Bei den verwendeten Oberflächenmodifikationen handelt es sich um kurz- und langkettige Karbonsäuren, sowie um Taurin und APTES. Für die Verarbeitung der in Pulverform vorliegenden Böhmitpartikel werden diese in dem flüssigen Epoxidharz dispergiert. Die Dispergierung erfolgt in einem zweistufigen Prozess mittels Knetwerk und Dreiwalze. Mit Hilfe dieses Prozesses können Suspensionen mit homogenen Partikelverteilungen und nahezu identischen Partikelgrößen hergestellt werden. In systematischen Reihenuntersuchungen werden in Abhängigkeit der Oberflächenmodifikation der Böhmitpartikel und des Füllstoffgehaltes Biege-, Zug- und Risseigenschaften von 2-Phasen-Kompositen (Partikel/Matrix), sowie Riss- und Schlagzähigkeitsverhalten von 3-Phasen-Kompositen (Faser/Partikel/Matrix) untersucht. Neben den mechanischen Eigenschaften der Komposite sind auch die rheologischen Eigenschaften der aushärtenden Kompositgemische insbesondere hinsichtlich deren Prozessierbarkeit von großem Interesse. Die verwendeten Oberflächenmodifikationen besitzen einen starken Einfluss auf Initialviskosität und Topfzeit. Beispielsweise können durch eine Modifikation der Böhmitpartikel mit nicht-reaktiven Karbonsäuren und APTES sowohl Initialviskosität als auch Topfzeit deutlich verbessert werden, was darauf hindeutet, dass die Partikel-Matrix-Interaktion aufgrund dieser Oberflächenmodifikationen herabgesetzt wird. Durch eine Modifikation der Partikeloberfläche der Böhmitpartikel ist es demnach möglich, die Prozessierbarkeit der aushärtenden Kompositgemische gezielt zu beeinflussen. Der Einfluss der verwendeten Oberflächenmodifikationen auf die untersuchten mechanischen Eigenschaften der 2-Phasen- und der 3-Phasen-Komposite ist nur sehr gering. Für den Großteil der Ergebnisse überschneiden sich die Standardabweichungen nahezu komplett. Weiterhin ist festzuhalten, dass die untersuchten Oberflächenmodifikationen eine Verschlechterung nahezu aller untersuchten mechanischen Eigenschaften bewirken. Am deutlichsten ist der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf Biege- und Zugmodul der 2-Phasen-Komposite. Insbesondere die langkettigen Karbonsäuren und APTES führen zu einem Absinken von Biege- und Zugmodul. Demnach geht eine verbesserte Prozessierbarkeit der aushärtenden Kompositgemische mit einer leicht verschlechterten mechanischen Performance der 2-Phasen- und der 3-Phasen-Komposite einher.