Zum Inhalt springen

Neue gewebeverstärkte Verbundmaterialien für Organobleche

Projektleiter:               Dr. Peter Bauer
Projektnummer:          BMWi / INNO-KOM - 49MF180122
Laufzeit:                       01.01.2019 bis 30.09.2021

Aufgabenstellung

Ziel war es, hochfeste Verstärkungsfasern zu entwickeln, die als thermoplastisches Material durch Schmelzspinnen hergestellt werden können. Die Faser sollte Festigkeiten > 100 cN/tex erzielen. Im Vergleich zur Carbonfaserherstellung ist eine Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Herstellung angestrebt, zumal C- Fasern durch den energieintensiven Carbonisierungsprozess meist aus polyacrylnitrilbasierten Precursorfasern produziert werden. In diesem Forschungs- und Entwicklungsvorhaben geht es um den Einsatz einer thermoplastischen Verstärkungsfaser, um mit einer thermoplastischen Matrix optimale Festigkeiten, Steifigkeiten und Elastizitäten in einem Faserverbundwerkstoff zu erreichen. Dazu soll die thermoplastische Verstärkungsfaser aufgrund ihrer chemischen Strukturähnlichkeit und physikalischen Kompatibilität mit der thermoplastischen Matrix eine optimale Matrix-Faser-Bindung an der Grenzfläche zwischen Faser und Polymer ermöglichen.

Ergebnisse

Teilaromatische Polyamide wurden mit Schmelzepolykondensations- bzw. -polymerisationstechnologie synthetisiert und versponnen. Im Zuge der Entwicklung eines geeigneten Schmelzspinnverfahrens für hochfeste, höherschmelzende Verstärkungsfasern kam ein für diesen Zweck entworfener Nacherhitzer zum Einsatz. Dieser ermöglichte es, Faserfestigkeiten und Feinheiten durch gezielte Heißverstreckung zu erhöhen. Über Röntgendiffraktometrie wurden erhöhte Orientierungsgrade in den Filamenten nachgewiesen. Thermoplastische Verstärkungsfasern wurden in Form von Verstärkungsgeweben mit Panamabindung in thermoplastische Matrices eingearbeitet, um optimale Festigkeiten, Steifigkeiten und Elastizitäten in einem Faserverbundwerkstoff zu erzielen.

Die Matrix-Faser-Bindung zwischen der Grenzfläche der Faser und der thermoplastischen Matrix wurde durch Zugversuche und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) untersucht. Versuche zur Herstellung von thermoplastischen unidirektionalen Tapes erfolgten mit PA66-Filamenten unter Einarbeitung einer PA12 bzw. PA6-Matrix. Außerdem fanden in Kooperation mit Neue Materialen Bayreuth GmbH Versuche zur Herstellung von Organoblechen durch ein vollautomatisches Tapelegeverfahren und anschließende thermische Konsolidierung statt. Dazu wurden unidirektionale PA6 Tapes mit Pararamidfaserverstärkung und unidirektionale HDPE-Tapes mit UHMWPE-Verstärkungsfasern eingesetzt. Die Organobleche erzielten Festigkeiten bis 385 MPa und behielten ihre Elastizität unter kryogenen Bedingungen in flüssigem Stickstoff.

Anwendung

Thermoplastisch verstärkte Verbundwerkstoffe mit einer textilen Flächenstruktur aus hochfesten thermoplastischen Fasern bieten viele Variationsmöglichkeiten sowohl hinsichtlich der Materialeigenschaften als auch der kontinuierlichen hocheffizienten Produktionsmöglichkeiten. Je nach Anforderungen können diese Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Fahrzeugleichtbau oder der Wasserstofftechnologie eingesetzt werden. Durch gezielte Faser-Matrix-Kombinationen lassen sich die Eigenschaften der thermoplastischen Kunststoffkomposite auf die Einsatzanforderungen zuschneiden.