Kunststoffe und Faser-Kunststoff-Verbunde mit gradierten Eigenschaften auf Basis duroplastischer Feststoffharze

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Katharina Koschek; Professor Dr.-Ing. David May
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537556366

Gradierte Werkstoffe (GW) sind eine Gruppe von Werkstoffen mit einer kontinuierlichen Änderung einer oder mehrerer Eigenschaften über eine bestimmte Längen- oder Volumeneinheit. Die Gradierung von Polymeren ermöglicht nicht nur die Anpassung an bestimmte Anwendungen. Modifikationen verbessern oft eine bestimmte Eigenschaft, während sich andere verschlechtern. Durch die Gradierung können die Eigenschaften nur dort angepasst werden, wo dies wirklich erforderlich ist. Bei Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist die interne Faserstruktur der dominierende Einflussfaktor auf die mechanischen Eigenschaften und könnte für die Gradierung dieser Eigenschaften genutzt werden. Aber auch die Matrix spielt eine entscheidende Rolle, z. B. für Zähigkeit und Ermüdung. Für eine 2D- oder sogar 3D-Gradierung von Bauteilen wären einzelne Schichten mit in der Ebene gradierten Eigenschaften erforderlich. In diesem Zusammenhang haben Feststoffharze (solid resins, SR) aufgrund ihrer einzigartigen Verarbeitungseigenschaften ein großes Potenzial. SR sind vollständig gemischte Harzsysteme, die jedoch bei Raumtemperatur fest sind und bis zum Erreichen einer Grenztemperatur lagerstabil. Oberhalb dieser Temperatur verflüssigen sie sich und werden bei weiter erhöhten Temperaturen niedrigviskos (< 1 Pa*s), wobei die Vernetzungsreaktion vernachlässigbar bleibt. Erst bei noch höheren Temperaturen finden relevante Vernetzungsaktivitäten statt. SR können daher aufgeschmolzen, geformt und wieder solidifiziert werden, was langzeitstabile, teilimprägnierte Faserhalbzeuge ermöglicht. Eine Option, die sonst Thermoplaste erfordert, deren hohe Schmelzviskosität (oft >> 10.000 Pa*s) aber keine großen Fließwege zulässt. Daher scheinen SR ein ideales Materialkonzept für 3D-gradierte FKV zu sein. Vorstudien am IFAM mit benzoxazin-basierten Systemen zeigten ein hohes Potenzial für die Gradierung in Kombination mit vitrimeren Eigenschaften. Ähnlich wie Epoxid-SRs sind sie jedoch im unvernetzten Zustand sehr spröde, was eine große Herausforderung für ihre Verarbeitung zu Verbundwerkstoffen darstellt. Vorstudien am IVW haben gezeigt, dass Textilien mit aufgedruckten SR-Mustern auf ihrer Oberfläche die für die Bauteilherstellung erforderliche Drapierbarkeit ermöglichen. Das Gesamtziel des Projekts ist die Entwicklung des grundlegenden Materialwissens und der Technologien, die für 3D-gradierte FKV auf Basis von SR erforderlich sind. Bei benzoxazin- und epoxidbasierten SR wird die Zähigkeit Ziel der Gradierung sein, während mögliche negative Einflüsse auf die Temperaturstabilität und das Verarbeitungsverhalten (Viskosität, Benetzung) minimiert werden sollen. Weiterhin werden druckbare SR und 3D-Drucktechnologien entwickelt sowie die Einflüsse der Druckmuster auf Stabilität, Handhabung und Drapierbarkeit der vorimprägnierten Textilien untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen