Berechnungsmodell für faserverstärkte Thermoplaste unter Berücksichtigung der Oberflächenspannungen

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1 Berechnungsmodell für faserverstärkte Thermoplaste unter Berücksichtigung der Oberflächenspannungen M. Sc. Matthias Bruchmüller, Prof. Dr.-Ing. Michael Koch, M. Sc. Julius Geis Thüringer Werkstofftag 2017, Jena, Diese/r Präsentation/ Bericht ist durch Mitarbeiter des Fachgebietes Kunststofftechnik der TU Ilmenau erstellt. Die Verwendung, Verteilung, Zitierung und Vervielfältigung auch auszugsweise zum Zwecke der Weitergabe an Dritte ist nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung der Autoren gestattet.

2 Beschreibung mechanischer Verbundeigenschaften Recherche vorhandener Modelle Prüfung vorhandener Modelle Ermittlung physikalischer Zusammenhänge Messungen physikalischer Einflussgrößen Bildung und Abgleich des neuen Modellansatzes Bild 1

3 Berechnungsformel nach CHAMIS, COX und KRENCHEL lineare Mischungsregel (CHAMIS) E-Moduln Faservolumenanteil KRENCHEL-Faktor Faserorientierung ηη 0 = aa ff cccccc 4 φφ ff EE VV = EE mm 1 φφ ff + EE ff φφ ff ηη 1 ηη 0 ηη 1 = 1 tanh ββ ll ff 2 ββ ll ff 2 COX-Faktor Faserlänge ββ = 2 ππ GG mm EE ff AA ff ln RR rr [Cox51], [Kre64] Bild 2

4 Herstellungsprozess faserverstärkter Thermoplaste Compoundieren Roving Polymer [Sch12] Spritzgießen Injection Molding Formteil Bild 3

5 Berechnungsabweichungen mit Polypropylenmatrices Berechnetes Zugmodul [MPa] GF nach COX GF Glasfaser + Polypropylen BF Basaltfaser + Polypropylen 3500 BF nach COX GF nach KRENCHEL BF nach KRENCHEL gemessenes Zugmodul [MPa] [Gei16] Bild 4

6 Betrachtung der Rissfläche nach Zugversuch Idealisierter Rissverlauf REM-Messung Polypropylen-Basaltfaser-Compound [Ste02] 100 µm Bild 5

7 Bindungsarten zwischen zwei Kontaktpartnern Diffusion Oberflächenspannungsverhältnis ηη ssss Grenzschicht Mechanische Verhakung 0 ηη dddddddd < 1 γγ 1 pp /γγ 2 pp [Wu96] 0 ηη ssss 1 ηη aaaaa = ηη mmmmmmm + ηη dddddddd + ηη ssss 0 ηη mmmmmmm < Bild 6

8 Diffusion und mechanische Verhakung Bild von Basaltfaser im Thermoplast Schmelztemperatur [ C] PP Basaltfaser Glasfaser [Inc15], [Dur13] ηη dddddddd = 0 ηη mmmmmmm = 0 Bezugnehmend auf Basalt und Glasfasern: 100 µm ηη aaaaa = ηη ssss Bild 7

9 Bestimmung von Oberflächenspannungen Wilhelmy-Methode Kontaktwinkelmessung F Faser- und Matrixmessung Matrixmessung Oberflächenspannung mittels OWRK Methode Bild 8

10 Verwendung der Oberflächenspannungsgleichung harmonische Mittelwertgleichung der Oberflächenspannung nach WU ηη ssss γγ 12 = γγ 1 dd γγ 2 dd 2 + γγ 1 pp γγ 2 pp 2 ηη aaaaa = ηη ssss = eeeeee αα γγ γγ 12 2 Maximale Haftung, wenn: γγ pp pp 1 = γγ 2 dd dd γγ1 = γγ 2 [Wu96] EE VV = EE mm 1 φφ ff + EE ff φφ ff ηη 1 ηη 0 ηη aaaaa Oberflächenspannung [mn/m] γγ 1 pp /γγ 2 pp [Pot04] Epoxidharz PP Basaltfaser Glasfaser Kunststoffe und Fasern Polar Dispers Bild 9

11 Ermittelte Abweichungen des neuen Berechnungsansatzes Berechnetes Zugmodul [MPa] BF adh korrigiert gemessenes Zugmodul [MPa] GF adh korr Bild 10

12 Fazit Bisherige Berechnungsgleichung Erweiterung Berechnetes Zugmodul [MPa] GF nach COX BF nach COX GF nach KRENCHEL Berechnetes Zugmodul [MPa] perfect fit BF adh korrigiert BF nach KRENCHEL GF adh korr gemessenes Zugmodul [MPa] gemessenes Zugmodul [MPa] EE VV = EE mm 1 φφ ff + EE ff φφ ff ηη 1 ηη 0 ηη aaaaa Bild 11

13 Quellenangaben [BGK16] Bruchmüller, M., Koch, M., Geis, J., Schneidmadel, S.: Modelling Mechanical Properties of Glass and Basalt Fiber Filled Thermoplastics; 31. PPS, Lyon 2016 [Cox51] Cox, H.L.: The elasticity and strength of paper and other fibrous materials; Middlesex: The National Physical Laboratory, Teddington 1951 [Dur13] Durapact, Technisches Merkblatt: Alkaliresistente Glasfaser, Haan, 2013 [Gei16] Geis, J.: Analyse der Füllstoffverteilung bei der Compoundierung von PP mit Basaltfasern und deren Einfluss auf die Bauteilqualität beim Spritzgießen, Masterarbeit an der TU Ilmenau, Ilmenau 2016 [Inc15] Incotelogy, Basalt Rovings: Technisches Datenblatt, Pulheim 2015 [KoE14] Kopczynska, A.; Ehrenstein, G.W.: Sonderdrucke Oberflächenspannung von Kunststoffen, Friedrich- Alexander-Universität, Erlangen Nürnberg 2014 [Kre64] Krenchel, H.: Fibre reinforcement; Akademisk Forlag, Copenhagen 1964 [Liu08] Liu, Jianwen: Dissertation: Untersuchung von Verbundwerkstoffen mit Basalt- und PBO-Faser-Verstärkung, Dresden, 2008 [Pot04] Potente, H.: Fügen von Kunststoffen Grundlagen, Verfahren, Anwendung; Hanser Verlag, München 2004 [Sch12] Schneidmadel, S.: Bedingungen für die Einarbeitung leitfähiger Füllstoffe in Thermoplaste; Bachelorarbeit an der TU Ilmenau, Ilmenau 2012 [Ste02] Stelzer,G.: Zum Faser und Eigenschaftsabbau bei Verarbeitung und Recycling diskontinuierlicher faserverstärkter Kunststoffe; Doktorarbeit an der Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern 2002 [Wu96] Wu, S.: Polymer Interface and Adhesion, Marcel Dekker, Inc., New York Bild 12