Übung 11: Verarbeitung von FV-Thermoplasten 1 - Centre of ...

Composites Technologien
HS 09
Übung 11 – Musterlösung
Übung 11: Verarbeitung von FV-Thermoplasten 1 – Musterlösung
Aufgabe 1: Thermoplastische vs. duroplastische Matrix
a) Welche physikalischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von FV-
Werkstoffe werden von der Matrix bestimmt?
Die Matrix Systeme bestimmen im Wesentlichen die Beständigkeit des Verbundes gegen Umwelteinflüsse und
Chemikalien sowie den möglichen Temperatureinsatzbereich sowie die Schadenstoleranz der Struktur. Die
Bruchzähigkeit des Matrixsystems hat einen grossen Einfluss auf die Schadenstoleranz des Verbundwerkstoffes
und eine hohe Bruchdehnung führt zu deutlichen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften des ganzen
FV-Werkstoffes.
b) Vergleichen Sie duroplastische FV und thermoplastische FV anhand der Eigenschaften
der Matrix.
Da die Faser diffusionsdicht ist, ist die klimatische Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen direkt mit der
Wasseraufnahme (Hygroskopie) der Matrix verbunden. Im Allgemeinen zeigen duroplastische Matrixsysteme im
Vergleich zu Thermoplastischen Matrixsysteme ein schlechtes Wärmefeuchteverhalten, welches zu einer schnelleren
Verringerung der Materialeigenschaften bei höherer Temperatur führt. Dazu zeigen Thermoplasten, insbesondere
teilkristalline Thermoplasten, auch eine bessere Chemikalienbeständigkeit.
Da die Matrix im Falle von Polymermatrixkompositen fast immer eine geringere thermische Beständigkeit aufweist
als die Fasern, ist die Dauergebrauchstemperatur der Matrix ausschlaggebend für die maximale Einsatztemperatur
eines gegebenen FV-Kunststoffes. Temperaturbeständige Matrizen aus Hochleistungs- Thermoplasten
wie Polyetherimiden (PEI) oder Polyetheretherketonen (PEEK) weisen Dauergebrauchstemperaturen bis zu
200 bzw. 220°C auf. Dahingegen dürfen die allermeisten duroplastischen Systeme eine Gebrauchstemperatur
von 100°C nicht überschreiten.
Duroplaste bestehen aus stark vernetzten Einheiten, die in einem einzigen Makromolekül resultieren. Bei einer
hohen Vernetzungsdichte besitzen Duroplaste eine hohe Glasübergangstemperaturen, hohe Warmformbeständigkeit
und einen hohen Schubmodul sowie gute Chemikalienbeständigkeit. Von Nachteil sind hier die geringe
Bruchdehnung und die schlechte Schlagzähigkeit der Materialsysteme. Die Verbesserung der Matrix-Zähigkeit
war ein ausschlaggebendes Kriterium für die Entwicklung von FV-Werkstoffen auf Thermoplastbasis. Einige
Thermoplaste wie PEEK verbinden hohe Wärmebeständigkeit mit hoher Bruchdehnung, Schlagzähigkeit sowie
Chemikalienbeständigkeit.
c) Nennen Sie die Hauptvorteile bei der Verarbeitung von thermoplastischen FV im
Vergleich mit duroplastischen FV.
Die Verarbeitung von FV-Thermoplasten ist in der Regel mit keiner chemischen Reaktion verbunden, was in
Vergleich zu FV-Duroplasten zu erheblich kürzeren Verarbeitungszeiten und besserer Automatisierbarkeit führt.
Die Erweichungs- und Erstarrungsvorgänge von FV-Thermoplasten sind rein physikalische Prozesse die kaum
Probleme in der Arbeitshygiene verursachen. Bei der Verarbeitung von Duromerensystemen findet jedoch immer
eine chemische Reaktion u. A. mit flüchtigen und meistens toxischen Komponenten statt. Somit ist die Verarbeitung
von FV-Duromeren mit einer äusserst problematischen Arbeitshygiene verbunden.
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Zentrum für Strukturtechnologien 1

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d) Welchen Einfluss hat der Kristallinitätsgrad eines teilkristallinen FV-Thermoplasts auf
die physikalischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften?
Ein höherer Kristallinitätsgrad verbessert die mechanischen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit der
Matrix. Allerdings wird sie dabei auch spröder. Zusätzlich findet ein relativ grosser Schwund bei der Erstarrung
teilkristalliner thermoplastischer Massen statt und beeinflusst die Oberflächenqualität und Masshaltigkeit faserverstärkter
Thermoplastbauteile negativ.
e) Wie kann man den Kristallinitätsgrad eines teilkristallinen FV-Thermoplasts verfahrenstechnisch
steuern?
Der Kristallinitätsgrad eines teilkristallinen Thermoplasts kann in einem weiten Bereich verfahrenstechnisch gesteuert
werden. Kristallkeime können sich nur in einem begrenzten Temperaturbereich bilden. Dies gilt auch für
das Wachstum. Da Keimbildung und Kristallitwachstum zeitabhängige Prozesse sind, bildet die Abkühlgeschwindigkeit
innerhalb dieser kritischen Temperaturbereiche den massgebenden Parameter. Eine hohe Abkühlrate
behindert die Kristallitbildung, was zu einer geringen Kristallinität führt.
Aufgabe 2: Konsolidierung
Sie möchten eine unidirektional faserverstärkte Thermoplastplatte mittels Folienimprägnierung
herstellen. Dazu legen Sie alternierend eine Lage Ihres Faserhalbzeuges sowie eine
Thermoplastfolie (angefangen und aufgehört mit der Folie) in die Pressform, die Sie anschliessend
aufheizen und mit Druck beaufschlagen.
a) Berechnen Sie nach dem Gesetz von Darcy die Zeit, die notwendig ist, um das Fasergelege
vollständig mit Matrix zu imprägnieren, d.h. ein porenfreies Laminat zu erhalten.
dz
dt = − K P
dp
η dz
(Fliessfrontgeschwindigkeit nach Darcy, siehe Kap. 9)
dz/dt: Fliessfrontgeschwindigkeit [m·s -1 ]
K p : Permeabilität in Richtung des Druckgradienten [m 2 ]
η: Schmelzviskosität [Pa·s]
dp/dz: Druckgradient [Pa·m -1 ]
Nehmen Sie für die Berechnung folgende Prozessbedingungen und Konstanten an:
1) Die Presse heizt derart schnell, dass die Zeit, die notwendig ist, um die Prozesstemperatur zu erreichen,
vernachlässigt werden kann.
2) Die Dicke z einer Faserlage beträgt 1 mm
3) Pressdruck p: 4 MPa
4) Ein trockenes UD-Faserbett hat bei 4 MPa Druck eine Raumerfüllung von 77.4 % (Faservolumengehalt
v f )
5) Faserradius r f : 3.5 μm
6) Kozeny-Konstante k: 18
7) Schmelzviskosität des verwendeten Thermoplasten bei Prozesstemperatur η: 300 Pa·s
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Für konstante Materialeigenschaften kann die DGL nach Darcy gelöst werden. Man erhält:
z 2 = 2K P p
η t → t = z2 η
2K P
p
Einsetzen der Permeabilität (Carman-Kozeny) als Funktion von Faserradius und Faservolumengehalt führt auf
K P
= r2
4k
( 1− v f ) 3
kv f
2
→ t = 2
2
v f r 2 1− v f
z 2 η
( ) 3 p
Die Distanz, welche von der Fliessfront zurückgelegt werden muss, beträgt aufgrund der alternierenden Anordnung
die Hälfte der Schichtdicke einer Faserlage: 0.5 mm. Daraus ergibt sich die erforderliche Konsolidierungszeit:
t = 2860[ s]
≈ 48min
b) Nehmen Sie einen Viskositätswert in der Grössenordnung typischer Duroplaste an
und berechnen Sie unter den gleichen Prozessbedingungen und Konstanten wie
oben angegeben die Zeit, die notwendig ist, um das Fasergelege vollständig mit dem
Matrixsystem zu imprägnieren.
Die Schmelzviskosität von Thermoplasten ist um 3 bis 4 Grössenordnungen höher als die Viskosität von
Harz/Härter-Systemen bei Verarbeitungstemperatur. Da die Fliessfrontgeschwindigkeit nach Darcy invers proportional
zur Viskosität der permeierenden Flüssigkeit ist, geht die Imprägnierung bei Thermoplasten viel langsamer
vor sich als bei Harzen.
[ ]
η ≈ 0.1Pa.
s ⇒ t ≈1 s
η ≈100Pa.
s ⇒ t ≈16.6
[ min]
c) Mit welchen Strategien liessen sich die Konsolidierungsgeschwindigkeiten von Thermoplasten
allenfalls erhöhen?
Um die Konsolidierungsgeschwindigkeit von Thermoplasten zu erhöhen, verfolgt die Entwicklung von Halbzeugen
zwei unterschiedliche Ansätze:
• Senkung der hohen Schmelzviskosität von Thermoplasten, wie z. B. bei Lösungsmittelimprägnierung,
Schmelzimprägnierung oder in-situ Polymerisierung.
• Reduktion des Fliesswegs für die Thermoplastschmelze, wie z.B. bei Mischgarnimprägnierung oder
Pulverimprägnierung.
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Zentrum für Strukturtechnologien 3

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Aufgabe 3: Anwendungen für die Automobilindustrie
Jeder Audi TT enthält 15 kg Composites. Schlagen Sie maßgeschneiderte Applikationen
von FV-Thermoplasten für den Audi TT vor und begründen Sie die Anwendung.
Jeder Audi TT enthält 15 kg Composites
Ebenfalls wichtig sind die Korrosionsbeständigkeit und das mögliche Recycling der FV-Thermoplastbauteile.
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