Thermoplastic matrix composites based on engineering polymers and renewable fibres

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von thermoplastischen Matrixverbundwerkstoffen (TMC) auf der Basis von technischen Polymeren und erneuerbaren Fasern. Mit nachwachsenden Rohstoffen verstärkte TMCs basieren in der Regel auf lignozellulosehaltigen oder zellulosehaltigen Fasern und Thermoplasten mit niedriger Fließ-/Schmelztemperatur, da die Fasern eine geringe thermische Stabilität aufweisen, was zu einer Degradation während der Verarbeitung führen kann. Solche TMCs sind auf Anwendungen beschränkt, die ein geringes Maß an mechanischer und thermischer Leistung erfordern. Wesentlich bessere Eigenschaften von TMCs können durch die Verwendung von technischen Polymeren als Matrizen erreicht werden, deren Entwicklung jedoch viele Herausforderungen mit sich bringt, von denen mehrere in dieser Dissertation untersucht wurden.
Der erste Teil befasst sich mit der Untersuchung des Verstärkungseffekts von erneuerbaren Fasern, die bei erhöhten Temperaturen verarbeitet werden. Zwei Naturfasern (Flachs und Hanf) und eine Chemiefaser (Lyocell) wurden durch Doppelschneckenextrusion in Polypropylen (PP) eincompoundiert und bei verschiedenen Temperaturen (180 °C - 260 °C, mit 20 K-Schritten) spritzgegossen. Das Zersetzungsverhalten der Fasern wurde mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) charakterisiert. Die Mikrostruktur der TMCs wurde durch optische Mikroskopie (OM) charakterisiert. Die optischen, mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften wurden durch Zugversuche, Charpy-Impactversuche, dynamische mechanische Analyse (DMA), Schmelzflussrate (MFR) und Kolorimetrie charakterisiert. Die mechanischen Eigenschaften der TMCs nahmen bei 200 °C ab, mit einer steilen Abnahme bei 240 °C. Eine Erhöhung der Verarbeitungstemperatur führte zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und einer dunkleren Farbe. Die mit Lyocellfasern verstärkten TMCs wiesen die höchste Zugfestigkeit und die beste Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf, gefolgt von Flachs- und Hanffasern. Die Verstärkungswirkung von Fasern in TMCs, die bei erhöhten Temperaturen verarbeitet werden, kann durch TGA-Messungen vorhergesagt werden.
Der zweite Teil befasst sich mit der Untersuchung des geometrischen Einflusses von erneuerbaren Fasern auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von TMCs. Sieben verschiedene Viskosefasern, die sich in ihrer Geometrie unterscheiden, wurden durch Doppelschneckenextrusion compoundiert und spritzgegossen. Die Mikrostruktur der TMCs und die Länge der extrahierten Fasern wurden mittels OM bewertet. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften wurden durch Zugversuche, Charpy-Impactversuche, DMA und Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) bewertet. TMC, das zylindrische Fasern mit einer linearen Dichte von 1,7 dtex und einer Länge von 5 mm enthielt, wies aufgrund der längsten und am besten dispergierten und orientierten Fasern die besten mechanischen Eigenschaften auf, während niedrigere lineare Dichten und höhere Ausgangslängen zu kürzeren Fasern und schlechteren mechanischen Eigenschaften führten. Nicht-zylindrische Fasern waren gut dispergierte und verteilte Fasern, hatten aber aufgrund ihrer Form ein niedriges Aspektverhältnis und große Faser-Faser-Kontaktflächen, was sich in schlechten mechanischen Eigenschaften der TMCs widerspiegelte.
Im letzten Teil wird ein neuartiger einstufiger Ansatz für die Herstellung von TMCs basierend auf technischen Polymeren und erneuerbaren Fasern vorgestellt. Die Technik des Fibre Direct Compounding (FDC) wurde modifiziert, mit einem Niedrigtemperatur-Verarbeitungsansatz kombiniert und für die Herstellung von TMCs auf der Basis von PA6- und Lyocell-Fasern verwendet. Parallel dazu wurden analoge Komposite durch Doppelschneckenextrusion compoundiert und spritzgegossen. Die Mikrostruktur der TMCs wurde durch OM charakterisiert. Die optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften wurden durch Kolorimetrie, DSC, DMA und Zugversuche untersucht. TMCs, die in einem einstufigen Verfahren hergestellt wurden, wiesen eine deutlich geringere thermische Degradation der Fasern auf, was an ihrer helleren Farbe erkennbar ist. Die Faserdegradation wurde durch die Kombination mit einem Niedrigtemperatur-Verfahren weiter verringert. Bei den in zwei Schritten hergestellten TMCs waren die Fasern jedoch gut dispergiert, während die in einem Schritt hergestellten TMCs sichtbare große Faseragglomerate aufwiesen. Dies spiegelte sich in den mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wider, da die ersteren TMCs eine mit der reinen Matrix vergleichbare Zugfestigkeit aufwiesen, während die letzteren eine um etwa 20 % geringere Zugfestigkeit hatten. Beide TMCs wiesen im Vergleich zum reinen PA6 einen signifikant erhöhten Speicher- und Zugmodul auf, wenngleich der Anstieg bei den in zwei Schritten hergestellten Verbundwerkstoffen höher war.