Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

UV-härtende Polymere als Matrix für Verbundwerkstoffe

Faserverbundwerkstoffe haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen, da sie bei geringem Gewicht hohen mechanischen Belastungen standhalten und im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen korrosionsbeständig sind. Derzeit werden in Deutschland etwa 200.000 t faserverstärkte Kunststoffe produziert. Anwendungen finden sich v.a. im nachhaltigen Leichtbau, insbesondere im Automobil- und Flugzeugbau sowie bei der Herstellung von Rotorblättern für Windkraftwerke. Maschinenbau, Bauwesen und Sportgerätebau nutzen ebenfalls verstärkt die Vorteile der Faserverbundwerkstoffe. Als Matrixsysteme werden bislang thermisch härtbare Polymere eingesetzt, die bei Temperaturen von >140°C und einer Reaktionszeit von über 1 Stunde gehärtet werden. Dies verursacht sowohl hohe Kosten für die Autoklaven als auch hohe Energiekosten bei der Aushärtung der Matrix.

Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Schaffung von Basiswissen für die Härtung von Faserverbundwerkstoffen mittels der UV-Technologie. Durch Verwendung von UV-härtenden anstelle von thermisch härtenden Systemen könnte die Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen wesentlich schneller und damit besonders energiesparend erfolgen. Zudem lassen sich auch großdimensionierte Faserverbundbauteile mit einer kleinen und flexibel einsetzbaren Fixiereinheit aushärten und kostenintensive Autoklaven könnten vermieden werden. Im Rahmen des Projektes wird das notwendige Basiswissen im Hinblick auf den chemischen Aufbau des Polymer- und Photoinitiatorsystems sowie der einsetzbaren textilen Verstärkungsmaterialien als auch der Fixierbedingungen entwickelt. Durch geeignete Kombination von Präpolymeren und Monomeren mit unterschiedlicher Funktionalität wird die Matrix an die gewünschten Endeigenschaften wie Faser-Matrix-Haftung, Härte und Elastizität angepasst. Vor allem Faserverbundzulieferer, vorwiegend KMU's mit ca. 150 Firmen, profitieren von den Ergebnissen aus dem Vorhaben.

Bei den faserverstärkten Kunststoffen handelt es sich um einen Wachstumsmarkt, die Marktchancen und KMU-Relevanz in verschiedenen Branchen werden anhand von Produktionszahlen gut belegt.

Die dargelegten spezifischen Maßnahmen zum Ergebnistransfer zeigen durchaus einen hohen Willen, möglichst viele Unternehmen im relevanten Nutzerkreis zu erreichen.

Ergebniszusammenfassung:

Durch Verwendung von UV-härtenden anstelle von thermisch härtenden Systemen kann die Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen wesentlich schneller und vor allem besonders energiesparend erfolgen. Es wurde das notwendige Basiswissen im Hinblick auf den chemischen Aufbau des Polymersystems sowie der verwendbaren Photoinitiatoren und textilen Verstärkungsmaterialien als auch der Fixierbedingungen entwickelt und so die Möglichkeit der gezielten Anpassung der Matrix an die gewünschten Endeigenschaften wie Faser-Matrix-Haftung, Härte und Elastizität geschaffen. Anwendungen finden sich in Leichtbauteilen im Flugzeug- und Automobilbau sowie im Boots- und Yachtbau und Sportgeräten als auch für stark beanspruchte Verbundbauteile (Rotoren).

Es wurden verschiedene Glasfaserverbundsysteme mittels UV-Härtung hergestellt. Die Verbundwerkstoffe konnten sowohl durch Bestrahlung am UV-Scanner mittels einer Hg-Lampe als auch mithilfe von UV-LEDs unter Verwendung spezifischer Photoinitiatoren hergestellt werden. Mittels rheologischer Messungen konnte gezeigt werden, dass die Aushärtung unter UV-Licht im Bereich weniger Sekunden bis Minuten abläuft, während die thermische Härtung deutlich länger dauert. Die mechanischen Zug- und 3-Punkt-Biegeprüfungen der Muster zeigen eine weite Bandbreite in den Materialeigenschaften von elastisch, weich bis hart und spröde. Die Zugmoduln der UV gehärteten Proben sind vergleichbar und teils größer als die zum Vergleich hergestellten thermisch gehärteten Matrixsysteme. Das verwendete Präpolymer bestimmt im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften und die Funktionalität des Monomers die Reaktionsgeschwindigkeit. Härte und Modul erhöhen sich mit zunehmender Funktionalität des Monomers. Die vollständige Aushärtung der Verbundwerkstoffe war bis zu einer Dicke von < 4 mm möglich. Verbundmuster mit anderen Verstärkungsgeweben wie zum Beispiel Carbongewebe oder auch Aramidgewebe erschweren oder verhindern die Aushärtung der Matrix.