Interphase modification and characterisation in p-aramid/ glass fibre epoxy model composites

• Grenzschichtmodifizierung und Charakterisierung in p-Aramid-/Glasfaser Epoxid-Verbundwerkstoffen

Wormann, Thomas; Möller, Martin (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Wege zur Oberflächenmodifikation an Glas- und p-Aramidfasern untersucht und deren Auswirkungen auf die Haftung zwischen Verstärkungsfasern und Epoxidharz als Matrixmaterial mit Hilfe mechanischer Testverfahren beurteilt. Der Einzelfaserfragmentierungstest (EFFT), ein weit verbreitetes mikromechanisches Testverfahren, wurde weiterentwickelt, um eine möglichst genaue Charakterisierung der Grenzschichten in faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu realisieren. Eine videobasierte Analysemethode ermöglicht eine direkte Verfolgung des Fragmentierungsprozesses der eingebetteten Verstärkungsfaser während des EFFT, wodurch sich Rückschlüsse auf die Kraftübertragung von Matrix auf Faser ziehen lassen. Mit Hilfe einer weiteren eigens entwickelten Analysemethode lässt sich der getestete Probekörper unter höherer Vergrößerung in verschiedenen Belichtungsmodi abscannen und untersuchen. Dieses Vorgehen ermöglicht eine genaue Identifizierung und Analyse von vorliegenden Faserbruchtypen und Grenzflächenphänomenen. Verschieden oberflächenbehandelte Glasfasern wurden mit dem weiterentwickelten EFFT untersucht und anhand der untersuchten Fragmentierungsprozesse und der beobachteten Faserbruchtypen konnten starke Einflüsse der Oberflächenbehandlungen auf die Faser-Matrix Haftung nachgewiesen werden.Zur Aktivierung der Faseroberfläche von p-Aramidfasern wurden gewaschene oder plasmabehandelte Fasern mit Polyethylenimin (PEI)-basierten Primerpolymeren in einem Dip-coating Verfahren aus wässriger Lösung ausgerüstet. Anhand von elektrokinetischen Messungen wurde das Adsorptionsverhalten der synthetisierten PEI-Derivate in Abhängigkeit von pH-Wert, Polymerkonzentration im Ausrüstungsbad, Faservorbehandlung und Quaternisierungsgrad des Primerpolymers analysiert und bewertet.Die mechanische Charakterisierung von oberflächenmodifiziertem p-Aramidfasern wurde mit Hilfe von EFFTs und Faserbündel Pull-out Tests durchgeführt. Dabei konnte das charakteristische Bruchverhalten der p-Aramidfasern veranschaulicht und als Störfaktor für eine eindeutige Auswertung des EFFT identifiziert werden. Die Ergebnisse der Faserbündel pull-out Tests spiegelten die durch die EFFTs aufgezeigte Problematik wider, konnten allerdings durch die Analyse der Bruchflächen der Probekörper einen qualitativen, visuellen Eindruck des Bruchverhaltens vermitteln und wiesen auf eine leicht verbesserte Faser-Matrix Haftung für PEI beschichtete Fasern hin im Vergleich zu gereinigten Standardfasern. In einer weiteren Versuchsreihe wurden p-Aramidfasern mit Poly(styrol-co-glycidylmethacrylat) Partikeln beschichtet mit dem Ziel die Anbindung und somit auch die Kraftübertragung zwischen Faser und Matrix zu verbessern. Die optimalen Konditionen für die Ausrüstung mit Nanopartikeln wurden anhand von Ausrüstungsversuchen mit wechselnden Konditionen und anschließender elektronenmikroskopischer Auswertung ermittelt. Ein positiver Einfluss der Nanopartikel auf die Faser-Matrix-Haftung konnte durch die mechanische Charakterisierung mittels EFFTs, Faserbündel pull-out Tests sowie Zugversuchen nachgewiesen werden.

Einrichtungen

• DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. [052200]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie [154610]
• Fachgruppe Chemie [150000]