Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung thermisch latenter Epoxidharzsysteme zum Einsatz für langzeitlagerstabile Prepregs bei Raumtemperatur

Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund der hohen spezifischen mechanischen Eigenschaften zur Verstärkung von Bauwerken, zur Kanalsanierung, zur Herstellung von Sportgeräten sowie im Leicht-, Flugzeug-, und Automobilbau eingesetzt.

Im Projekt soll ein neuartiges Faserverbundhalbzeug („Prepreg“) entwickelt werden, welches lagerstabil bei Raumtemperatur (> 6 Monate) ist sowie bei niedrigen Temperaturen und innerhalb kurzer Zeit aushärtet.

Besonders für KMU ergeben sich folgende Vorteile:

• Sehr geringe Lagerkosten, da keine Kühlung notwendig. Durch Lagerfähigkeit der Prepregs bei Raumtemperatur keine aufwendige und kostenintensive Tiefkühllagerung für Prepregs notwendig.

• Kurze Prozesszeiten, durch sehr schnelle Aushärtung (bis 15 Minuten), dadurch starke Reduzierung von Prozesszeiten und Fertigungskosten.

• Niedrige Aushärtetemperaturen (<110 °C), wodurch solche Systeme auch für temperatursensible Anwendungen geeignet sind.

Umgesetzt werden sollen die Ziele durch die Verkapselung kommerziell verfügbarer, thermisch latenter, pulverförmiger Härter (u. a. Dicyandiamid, Polyurea, aliphat. Polyamine, Imidazole). Um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, werden die Härterpartikel gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Größe, Oberfläche und chemischen Struktur modifiziert.

Durch die Bündelung der Kompetenzen von SKZ (Modifizierung von Harzsystemen) und Universität Bayreuth (Prepreg-Entwicklung) können die geplanten Ziele im Rahmen des Projektes erreicht werden.

Die Ergebnisse sollen durch entsprechende Transfermaßnahmen vor allem dem Leichtbau, Fahrzeugbau, der Kanalsanierung sowie allen Anwendungsbereichen, in denen die Prepreg-Technologie aufgrund der beschriebenen Nachteile bisher noch nicht eingesetzt wird, zugänglich gemacht werden. Die Zielgruppe sind unter anderem diejenigen KMU, die ihr Interesse durch die Teilnahme am projektbegleitenden Ausschuss bekundet haben. Diese decken die komplette Wertschöpfungskette vom Rohstoffhersteller bis zum Endanwender ab.

Ergebniszusammenfassung:

Das SKZ hat sich erfolgreich mit der Verkapselung thermisch latenter Beschleuniger für Epoxidharze beschäftigt. Die entwickelten Harzformulierungen weisen eine teilweise mehr als fünffach längere Lagerstabilität bei Raumtemperatur auf als das unmodifizierte Referenzmaterial. Es konnte eine sehr einfache Methode zur Matrixverkapselung der Beschleuniger mittels Sprühtrocknung entwickelt werden.

Es wurden geeignete Verkapselungsmaterialen untersucht, welche sowohl einfach in der Handhabung sind, geringe Kosten aufweisen und in großen Mengen kommerziell erhältlich sind. Das unterscheidet diese Entwicklung von denen bereits aus der Literatur bekannten Ansätzen. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl die molekulare Struktur als auch deren Anteil und Zusammensetzung in der Sprühlösung Einfluss auf die Verkapselungsgüte haben. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Lagerstabilität und Partikelgröße. Je größer und gleichmäßiger die erzeugten Partikel sind, desto höher ist die Lagerstabilität bei Raumtemperatur, aufgrund der geringen spezifischen Oberfläche und der damit geringen Kontaktmöglichkeit von Beschleunigern zum Harz.

Die verkapselten Systeme wurden von der Universität Bayreuth erfolgreich in ein industriell relevantes Prepreghalbzeug zur Herstellung von Faserkunststoffbauteilen überführt. Das Alterungsverhalten des vielversprechendsten Beschleunigers mit enormer industrieller Relevanz konnte hierbei als Benchmarksystem ohne optimierte Langzeitlagerstabilität analysiert werden. Die Effekte der Materialalterung konnten vor allem durch die Erhöhung der dynamischen Viskosität und der daraus resultierenden Klebrigkeit des Materials, verursacht durch eine Vorvernetzung der duromeren Reaktivmatrix in Form von Microclustern an Beschleunigerpartikeln wissenschaftlich erklärt werden. Mithilfe der Verkapselung wurden lagerstabile 1K-Materialien hergestellt, welche die gezielte Langzeitlagerstabilität bei schneller Härtung bei erniedrigten Temperaturen erreichten.