Charakterisierung von Faserverstärkten Kunststoffen mittels optischer und dielektrischer MethodenFaserverbund-Materialtechnolgien

Unser Projekt ist EFRE gefördert.

Diese Projekt wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und des Landes Brandenburg gefördert.

Förderprogramm der Investitionsbank Land Brandenburg

Förderprogramm: ILB-Kreditprogramme/Infrastruktur – Richtlinie

Forschungsinfrastruktur

Maßnahme: Charakterisierung von Faserverstärkten Kunststoffen

mittels optischer und dielektrischer Methoden

Antragsnummer: 85053660

Durchführungszeitraum: vom bis

15. Oktober 2021 31. Dezember 2022

Titelbild Projektbeschreibung — © Christian Dreyer

Charakterisierung von Faserverstärkten Kunststoffen mit-tels optischer und dielektrischer Methoden

Zur Reduzierung der globalen CO2 Emissionen und zur Schonung von Ressourcen ist nicht nur die nachhaltige Energieerzeugung von großer Bedeutung, sondern auch die Energieeffizienz. Dies kann im Fall der Mobilität besonders erfolgreich durch den Leichtbau, insbesondere durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, umgesetzt werden. Sie bestehen aus einer Matrix und Verstärkungsfasern, wobei an der TH Wildau eine Konzentration auf Duromere erfolgt.

Mit diesen Duromere lassen sich Leichtbauteile herstellen, die besonders hohen Ansprüche an Festigkeiten, Gewicht oder Steifigkeiten haben. Sie zeichnen sich durch ein herausragendes Eigenschaftsprofil hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Medienbeständigkeit, Brandfestigkeit und v. a. m. aus. Die herausragenden mechanischen Eigenschaften bieten im Vergleich zur geringeren Dichte der Faserverbundwerkstoffe ein besonders hohes Potential zur Gewichtsreduzierung.

Ein charakteristisches Kennzeichen der Harze ist, dass die gewünschten herausragenden Eigenschaften der resultierenden Duromere, durch thermische oder strahleninduzierte Reaktion der Harze (Härtung) erhalten werden. Diese Härtung kann zudem durch unterschiedliche Parameter beeinflusst werden und so spannungsfrei, schnell oder mit geringer thermische Beanspruchung umgesetzt werden. Voraussetzung dafür sind jedoch die Kenntnisse bestimmter Eigenschaften und Parameter der eingesetzten Duromere.

Der Grad der Netzwerkbildung aus den Reaktivharzen hin zu dem Duromeren kann mittels verschiedener Charakterisierungsmethoden ermittelt werden. Es gibt jedoch nur wenige Methoden, welche den gesamten weiten Molmassenbereich umfassen. In niedrigviskosen Zustand (geringe Molmassen = kleine Moleküle), kommen rheologische und chromatographische Methoden zum Einsatz, im höhermolekularen Bereich stehen Thermomechanische Methoden wie DMA, Torsionspendel und ggf. DSC zur Verfügung.

Chemische Methoden benötigen meist lösliche Moleküle, sind somit auch nur für den niedermolekularen Bereich einsetzbar. Spektroskopische Methoden, wie IR-Spektroskopie decken zwar prinzipiell den gesamten Molmassenbereich ab, benötigen hierfür aber funktionelle Gruppen, welche im Spektrum oftmals überlagert sind und somit nur sehr unpräzise quantitative Aussagen, wenn überhaupt eine solche zulassen.

Optische und dielektrische Verfahren können die Nachteile der o.g. Methoden (teilweise) umgehen: Da der Brechungsindex von Reaktivharzen auch eine Funktion des Umsatzgrades des jeweiligen Reaktivharzes ist, kann mittels der Bestimmung desselben eine einfache und schnelle Verfolgung der Härtung von Reaktivharzen erfolgen. Eine Korrelation zwischen Brechungsindex und Umsatzgrad aber kann für jedes Reaktivharzsystem individuell anhand von Eichkurven erfolgen.

Infolge dessen konnte mit Hilfe der finanziellen Mittel der Europäischen Union und der ILB die folgenden Geräte beschafft werden:

Schneidplotter_{Bereich öffnen}_{Bereich schließen}

Der Flachbett-Schneidplotter ist aus der Verpackungs- und Werbeindustrie bekannt und kann aber, entsprechend mit der richtigen Technik ausgestattet, einen exakten Zuschnitt von Folien, Textilien, faserverstärkten Kunststoffen und anderen dünnen Verbundmaterialien, wie auch Prepregs gewährleisten. Die Schneidtechnik kann an die besonderen Anforderungen des Zuschnitts von Faserverbundmaterialien mit dem Einsatz oszillierender Klingen, Rollmesser oder einer Fräse für den entsprechenden Anwendungsfall optimal angepasst werden. Bei einer Bearbeitungsfläche von ca. 1,27 m x 1,67 m können aus Mustermaterialien oder Rollwaren mittels Bearbeitungssoftware einfach und komplexe Zuschnitte frei konfiguriert werden.

Der Zuschnitt auf einem Flachbett-Schneidplotter ist sehr wichtig, um aus den verschiedenen Materialien exakt definierte Proben-Geometrien mit hoher Maßgenauigkeit für die verschiedenen Messtechniken anfertigen zu können. Zudem ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Proben-Zuschnitte wichtig für größeren Mengen von Probenmaterialien und es ist durch die programmierte Bewegungssteuerung der Schneidköpfe gewährleistet.

Technische Daten:

Flachbett-Schneidplotter mit Vakuumtisch (2 Zonen)
max. Arbeitsfläche: 1,67 x 1,27 m
Gewicht: 455 kg
Positionsgenauigkeit: +/- 0,2 mm
max. Schnittgeschwindigkeit: 50 m/min

Flachbett-Schneidplotter — © Andreas Bernaschek

Dielektrisches Messgerät_{Bereich öffnen}_{Bereich schließen}

Dielektrische Werkstoffe finden in vielen Bereichen Anwendung, von Mikrowellenkomponenten und -subsystemen bis hin zu Industrie- und Fertigungsprozessen. Die genaue Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften dieser Materialien ist sowohl für den Erfolg industrieller als auch wissenschaftlicher Mikrowellenanwendungen sehr wichtig.
Im Rahmen des Investionsprojekts wurde ein tragbares dielektrisches Messgerät angeschafft. Es handelt sich um ein neues Messgerät zur Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante für eine breite Palette fester, halbfester, körniger und flüssiger Materialien im Bereich der ISM-Frequenz von 2,45 GHz. Im Gegensatz zu anderen Geräten führt es alle notwendigen Kontrollfunktionen, die Erzeugung und Analyse von Mikrowellensignalen, die Datenverarbeitung, die dielektrische Berechnung, die Speicherung und die Anzeige der Ergebnisse automatisch durch. Es ist in der Lage, dielektrische Materialien mit niedrigem, mittlerem und hohem Verlust mit demselben Aufbau zu messen.

Technische Daten:

Bestimmung der Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1,5 – 2,6 GHz
Dielektrizitätskonstante: ε′ < 100, Verlustfaktor: 0,001 < ε′′ < 10 (mehr als vier Größenordnungen)
Genauigkeit: etwa 1 % bei der Dielektrizitätskonstante und 2-5 % beim Verlustfaktor (je nach Bereich)

Dielektrisches Messgerät mit Laptop — © Andreas Bernaschek

Digitales Mehrwellenlängen-Refraktometer_{Bereich öffnen}_{Bereich schließen}

Der Brechungsindex ist bisher ein stark vernachlässigter Faktor bei der Bestimmung der Härtungsparameter für Faserverstärkte Kunststoffe auf Basis duromerer Matrices. Der Brechungsindex ist eine optische Materialeigenschaft. Er ist das Verhältnis der Wellenlänge des Lichts im Vakuum zur Wellenlänge im Material, und damit auch der Phasengeschwindigkeit des Lichts im Vakuum zu der im Material. Anhand dieses Verhältnisses ist es möglich bereits vor der praktischen Herstellung des Verbundwerkstoffes eine Aussage über die Härtungseigenschaften des Matrixmaterials zu treffen. Mit dem digitalen Mehrwellen-Refraktometer lässt sich der Brechungsindex bei verschiedenen Wellenlängen bestimmen.

Technische Daten:

Messbereich: 1,33200 bis 1,70000 nD bei 589 nm*
Anzeigenauflösung: 0,00001 nD und 0,01°C
Präzision: ± 0,0001 bei 20°C
verfügbare Wellenlängen: 365 nm, 400 nm, 593 nm, 660 nm, 700 nm, 830 nm & 960 nm

Digital-Mehrwellen-Refraktor — © Andreas Bernaschek

Polarisationsmikroskop_{Bereich öffnen}_{Bereich schließen}

Das Versagensverhalten von Kunststoffen wird auch durch die induzierten Spannungen im Material beeinflusst, welche während der Härtung bzw. der Abkühlung beim Herstelllprozess der Werkstoffe entstehen. Dies betrifft sowohl die Thermoplaste als auch die Duromere. Dieser härtungsbedingter Parameter kann aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten mehrerer miteinander kombinierter Materialien, aber auch durch den Härtungsschrumpf auftreten.

Diese induzierten Spannungen resultieren in sog. Spannungsdoppelbrechungen, welche für (halbwegs) transparente Bauteile mittels Polarisationsmikroskopie sichtbar gemacht werden können.

Technische Daten:

XY-Kreuztisch mit verschleißfester Oberfläche
höhenverstellbarer Abbe-Kondensor mit Einschub für Phasen- und Dunkelfeldschieber
Objektive: 4-fach, 10-fach, 40-fach und 100-fach
Polarisator und Analysator
moderne LED Beleuchtung mit 25.000 Stunden Lebensdauer