First-time application of a combination of electrospray ionisation (ESI) polymer-deposition and dielectric barrier discharge for an improved adhesion between carbon fibres and polyurethane
Chemical and Thermal Process Engineering
Final Report Abstract
Mit Hilfe der Elektrospray-Ionisation (ESI) Beschichtung von Kohlenstofffasern mit ultradünnen Polymerschichten sollte die Haftfestigkeit in Faser-Epoxidharz-Verbunden verbessert werden. Durch die fragmentierungsfreie Aufbringung einer funktionalgruppentragenden Polymerhaftvermittlerschicht auf die Kohlenstofffasern (PAN-basierte Fasern), sollten die unterschiedlichen mechanischen wie thermischen Ausdehnungskoeffizienten kompensiert werden und zwischen Faser und Epoxidmatrix sowohl eine kovalente als auch flexible Faser-Harz-Bindung installiert werden. XPS Untersuchungen zeigten, dass bei der Abscheidung im Gegensatz zur Plasmapolymerisation keine Fragmentierungen auftraten. REM-Aufnahmen bestätigen die vollständige Bedeckung der Fasern, sofern die elektrische Kontaktierung gewährleistet ist. Die Polymerbeschichtung von abgeschatteten Faserbereichen wird dem elektrophoretischen Effekt des ESI-Verfahrens zugeschrieben. Die hier versprühten Polymerlösungen unterschiedlicher Konzentrationen von Polyacrylsäure (PAA) und Polyhexaethylmethacrylat (PolyHEMA), jeweils in Methanol gelöst, wurden mit unterschiedlichen Behandlungsdauern und damit Schichtdicken aufgetragen. Die verwendete PAA mit ihrer COOH-Gruppe und PHEMA mit der OH-Gruppe sollten die Wechselwirkungen oder chemischen Reaktionen zur Faser bzw. zur Epoxidharzmatrix herstellen. Um die Verbindung zwischen Faser und aufgesprühter Schicht weiter zu stärken, wurden neben der normalen Behandlung noch zusätzlich weitere Verfahrensvarianten vorund nachgeschaltet, wie die vorherige Behandlung der Faser in einer Stickstoff- Barriereentladung als auch in einem Sauerstoff-Niederdruckplasma was durch Einführung O- und N-funktioneller Gruppen auf die Faseroberfläche die Haftung der PAA- bzw. PHEMA-Schichten verbesserte. Ohne Vorbehandlung der Faser wurden bei Einzelfaser-Ausreißversuchen eine (Verbund-) Haftfestigkeit von 45 MPa erreicht, die durch die unterschiedlichen Beschichtungen auf bis zu 260% auf 119 MPa gesteigert werden konnte. PolyHEMA zeigte dabei die beste Haftvermittlerwirkung.
