Die Entwicklung von Naturfaservliesen für schlagzähe Verbundstrukturen

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1 Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. Rudolstadt-Schwarza Die Entwicklung von Naturfaservliesen für schlagzähe Verbundstrukturen

2 Gliederung: 1. Anwendungen von naturfaserverstärkten Kunststoffen 2. Möglichkeiten der Schlagzähmodifizierung 3. Theoretische Zusammenhänge 4. Schlagzähmodifizierung von Naturfaser/EP-Verbunden 5. Vergleich schlagzähmodifizierter EP- und PP-Verbunde 6. Schlussfolgerungen und Ausblick

3 Anwendungen von Naturfaserverbundwerkstoffen in der Automobilindustrie Verfahrenstechnik Fließpressen (Halbzeug: Granulat) Unterbodenverkleidungen Türspiegel, Sitzstrukturen, Handschuhfachklappe Anwendung Entwicklung Spritzgießen (Halbzeug: Granulat) Säulenverkleidungen, Türspiegel, Konsolen, Befestigungselemente Formpressen (Halbzeug: Matte) Armaturentafelträger, Hutablage, Kofferraumboden, Dachhimmel niedrig Türverkleidungen, Sitzverkleidungen, Kofferraumauskleidungen Realisierungsgrad hoch

4 Thermoplastische Naturfaserverbunde Duroplastische Naturfaserverbunde Matrix: Halbzeug: Fasergehalt: Prozess: Polypropylen Hybridvlies 4-5 Gew.-% Formpressen Matrix: Halbzeug: Fasergehalt: Prozess: EP/PU-Harz Naturfaservlies 6-7 Gew.-% Formpressen

5 Steifigkeit und Zähigkeit von Naturfaserverbunden Zug-E-Modul [N/mm²] EP/LI PP/LI EP/Glas PP/Glas Schlagzähigkeit [kj/m²]

6 Möglichkeiten zur Beeinflussung der Zähigkeit von Naturfaserverbunden Faserverbund Verstärkungsfaser Festigkeit, Dehnung, Faserlänge, Faserdurchmesser, Fasergehalt, Faserorientierung Faser-Matrix-Grenzfläche Faser-Matrix-Haftung Matrixmaterial Festigkeit, Dehnung Variation der Naturfaserart, Zumischung anderer Fasern Modifizierung der Haftung Einsatz zäher Matrixmaterialien

7 Modellvorstellungen zur Schlagzähigkeit von Faserverbunden nach Thomason/Vlug a cnv n = V i= 1 Fi 2 σ Fi l 2 EFi Di l i l i + l Ci + ( 1 VF ) acnm l l C D σ F d = 2 τ = a FV G F 2 E σ 2 F F a cnv σ Fi E Fi l i l Ci l Di V Fi V F a cnm a FV Kerbschlagzähigkeit des Verbundes Faserfestigkeit der Mischungspartner Faser-E-Modul der Mischungspartner Faserlänge der Komponenten kritische Faserlänge der Komponenten Debondlänge (Faserablösung) der Faserkomponenten Faservolumengehalt der Komponenten Gesamtfaservolumengehalt Kerbschlagzähigkeit der Matrix Schlagzähigkeit der Faser im Verbund Bei Langfaserverbunden mit hohen Fasergehalten wird die Schlagzähigkeit von den Fasereigenschaften dominiert!

8 Herstellung von EP/Flachs-Verbunden 1. Herstellung von genadelten Faservliesen (Flächenmasse 3 g/m²) 2. Zuschnitt und Gelegeaufbau (Fasergehalt 6 Gew.-%) 3. Aufsprühen des Harzansatzes (Harzsystem Araldit LY 5138, Härter HY 5138) 4. Verpressung bei 9 C (Plattendicke 2 mm) 5. Tempern bei 9 C zur vollständigen Aushärtung

9 Schlagzähigkeit von EP/Naturfaser-Verbunden In Abhängigkeit des Fasergehaltes Schlagzähigkeit [kj/m²] EP/LI EP/LI/SI EP/LI EP/LI/SI Fasergehalt [Gew.-%]

10 Eigenschaften der eingesetzten Modifikatorfasern Fasertyp Dichte [g/cm³] Zugfestigkeit [cn/tex] [N/mm²] Dehnung [%] E-Modul [cn/tex] [kn/mm²] CLY 1,5 41, , ,9 PES 1,38 55, , ,2 PAN 1,18 83, , ,9 PEN 1,39 88, , ,2

11 Schlagzähigkeit von EP/Flachs-Verbunden in Abhängigkeit des Modifikatoranteils Schlagzähigkeit [kj/m²] Fasergehalt 6 Gew.% EP/LI/CLY EP/LI/PES EP/LI/PAN EP/LI/PEN Modifikatoranteil [Gew.-%]

12 Biegeeigenschaften von EP/Flachs-Verbunden in Abhängigkeit des Modifikatoranteils Biegefestigkeit [N/mm²] EP/LI/CLY EP/LI/PES EP/LI/PAN EP/LI/PEN Fasergehalt 6 Gew.% Modifikatoranteil [Gew.-%] Biege-E-Modul [N/mm²] Fasergehalt 6 Gew.% EP/LI/CLY EP/LI/PES EP/LI/PAN EP/LI/PEN Modifikatoranteil [Gew.-%]

13 Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit bei Einsatz verschiedener Matrixmaterialien Biegefestigkeit [N/mm²] Biegefestigkeit [N/mm²] Fasergehalt 6 Gew.% EP/LI/CLY EP/LI/PES EP/LI/PAN EP/LI/PEN Fasergehalt 5 Gew.% PP/LI/CLY PP/LI/PES PP/LI/PAN PP/LI/PEN Schlagzähigkeit [kj/m²] Schlagzähigkeit [kj/m²]

14 Biege-E-Modul und Schlagzähigkeit bei Einsatz verschiedener Matrixmaterialien Biege-E-Modul [N/mm²] Biege-E-Modul [N/mm²] EP/LI/CLY EP/LI/PES EP/LI/PAN EP/LI/PEN Fasergehalt 5 Gew.% PP/LI/CLY PP/LI/PES PP/LI/PAN PP/LI/PEN Fasergehalt 6 Gew.% Schlagzähigkeit [kj/m²] Schlagzähigkeit [kj/m²]

15 Wirksamkeit der Schlagzähmodifizierung bei verschiedenen Matrixmaterialien Schlagzähigkeitssteigerung [%] EP/LI/CLY EP/LI/PES EP/LI/PAN EP/LI/PEN PP/LI/CLY PP/LI/PES PP/LI/PAN PP/LI/PEN Modifikatoranteil [Gew.-%]

16 Schlussfolgerungen und Ausblick Die Schlagzähigkeit von Naturfaserverbunden kann durch Zumischung von Fasern höherer Festigkeit und/oder Dehnung optimiert werden. Bei naturfaserverstärktem Epoxydharz ist zur Erzielung vergleichbarer Schlagzähigkeitswerte ein höherer Modifikatoranteil erforderlich als bei naturfaserverstärktem Polypropylen. Die Höhe und Art der Zumischung ist abhängig von den Anforderungen an die Schlagzähigkeit. Es ist das Ziel weiterer Arbeiten, diese Ergebnisse durch Untersuchungen der Kerbschlagzähigkeit und des Durchstoßverhaltens zu ergänzen.