Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse des Aushärteverhaltens hochreaktiver Harzsysteme unter prozessnahen Bedingungen zur besseren Auslegung von Fertigungsprozessen

Formteile aus hochreaktiven Harzsystemen (z. B. Polyurethan (PUR) oder Epoxidharz) sowie faserverstärkten Kunststoffen (FVK) werden in der Automobilbranche oder dem Transportwesen z. B. als Karosserieelemente, Verkleidungsteile oder Dämpferelemente eingesetzt. Die Fertigung erfordert eine exakte Abstimmung zwischen Prozessführung und Materialverhalten, wobei insbesondere die Kenntnis des Aushärteverhaltens von herausragender Wichtigkeit ist. Konventionelle Analysemethoden sind aufgrund von Defiziten der verwendeten Messzellen für die Analyse hochreaktiver Harzsysteme nicht geeignet. Durch die fehlende Kenntnis des Aushärteverhaltens ist die Prozessauslegung mit kostenintensiven Vorversuchen verbunden, weshalb besonders für kmU das technische und wirtschaftliche Risiko zum Einsatz der Fertigungsprozesse für viele Anwendungen zu groß ist.

Es ist daher Ziel des Projektes, das Aushärteverhalten hochreaktiver Materialsysteme erstmals unter prozessnahen Bedingungen zu quantifizieren, um kmU eine zielgerichtetere Prozessauslegung zu ermöglichen. Hierzu wird auf Basis einer vorhandenen Pilotanlage eine neuartige Messzelle entwickelt, die die Messung der Exothermie und des Aushärtegrades hochreaktiver Materialien erlaubt. Die Ergebnisse des Vorhabens in Form der Erkenntnisse zum Einfluss der Material- und Prozessparameter (Druck, Temperatur, Materialkonditionierung, Trennmittel) auf das Aushärteverhalten sowie des Basiswissens zur Umsetzung und Nutzung der neuartigen Messzelle sind insbesondere von den verarbeitenden kmU der PUR- und FVK-Branche nutzbar, die durch eine schnelle und zielgerichtete Anpassung der Prozessparameter ihre Prozesse robuster und mit weniger Ausschuss gestalten können. Zusätzlich erlaubt die Analyse eine effizientere Neuauslegung von Fertigungsprozessen, wodurch kmU ihr Anwendungsspektrum erweitern können. Daneben profitieren Materialhersteller, Ingenieurdienstleister, Messzellenhersteller und die Endanwender von den generierten Ergebnissen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine Messzelle zur ganzheitlichen Charakterisierung des Reaktionsverhaltens schnell härtender Harz-Systeme unter isothermen sowie nicht-isothermen Bedingungen entwickelt. Die Messzelle beruht auf dem Prinzip der Dynamischen Differenzkalorimetrie (eng.: Differential Scanning Kalorimetrie (DSC)). Anders als bei den konventionellen Methoden erfolgt eine direkte Dosierung des reaktiven Materials in die auf bis zu 200 °C vorgeheizte Messkammer, sodass die Reaktionsenthalpie maximal 10 Sekunden nach der Vermischung erfasst wird. Über mechanische Stempel kann ein Messdruck von bis zu 100 bar aufgebracht werden, um das Reaktionsverhalten unter prozessnahen Bedingungen zu charakterisieren. Zusätzlich zum Einfluss variierender Prozessparameter können durch ein Niederdruck-Kolbendosieraggregat der Einfluss variierender Materialbedingungen, wie z. B. Lagerzeit, Materialtemperatur, Prozessgase, sowie die Zugabe von Additiven auf das Reaktionsverhalten hochreaktiver Materialien analysiert werden. Die gewonnenen Messergebnisse zeigen bei einem langsam reagierenden Epoxidharz eine gute Übereinstimmung verglichen mit einer konventionellen DSC. Darauf aufbauend konnten zwei beispielhafte schnell härtende PUR-Systeme mit Reaktionszeiten von unter zwei Minuten erstmals vollständig unter isothermen und nicht-isothermen Bedingungen charakterisiert und die Daten zur Modellierung des Reaktionsfortschritts mittels Isokonversionsmethoden genutzt werden. KMU steht die entwickelte Messzelle, das Wissen zur Umsetzung einer solchen Messtechnik und -methodik sowie die Projektergebnisse über den Einfluss von Additiven auf das Reaktionsverhalten zur Material- und Prozessauslegung und zur

Entwicklung von Reaktionsmodellen für schnell reagierende Materialsysteme zur Verfügung. Aufbauend auf den erzielten Erkenntnissen soll eine Systematik zur robusten Qualitätssicherung anhand der Beschreibung der Reaktionskinetik im PUR-RIM-Prozess aufgebaut werden.