Beitrag zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens von aPA 6 für die Realisierung eines robusten T-RTM-Prozesses
Creators: name: Wendel, Rainer
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: T-RTM
aPA6
in-situ Polymerisation

description: Die Herstellung von thermoplastischen Faserverbunden im T-RTM-Prozess wurde in den letzten Jahren im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsprojekten anhand mehrerer Anwendungen demonstriert. Die Verwendung der reaktiven, niederviskosen Monomerschmelze ermöglicht die schnelle Infiltration von Faserhalbzeugen, ist jedoch sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Einer der größten Einflussfaktoren ist Wasser, das in Form von Luftfeuchtigkeit in Kontakt mit den zu verarbeitenden Materialien kommt. Die während der Verarbeitung eingebrachten Wassermoleküle reduzieren die Reaktivität der Monomerschmelze. Eine reproduzierbare Produktion ist ohne die Berücksichtigung und Kompensation des Wassereinflusses nicht möglich. Ziel der Arbeit ist es zunächst, den Wassereinfluss auf die anionische Polymerisation von ε-Caprolactam zu quantifizieren. Zuerst wird der theoretische Wassereinfluss anhand der chemi-schen Reaktionsgleichungen berechnet, um die Größenordnung des Einflusses zu ermitteln. Die anschließende Charakterisierung der Wasseraufnahme der Matrixkomponenten und Glasfaserhalbzeuge gibt Aufschluss über das Sorptionsverhalten der Materialien und deren maximale Feuchtebeladung. Ein bestehendes Reaktionskinetikmodell und ein Viskositätsmodell werden im ersten Teil der Arbeit so erweitert, dass die Kinetik und der Viskositätsverlauf in Abhängigkeit der Anzahl der in der Schmelze vorhandenen Aktivator- und Katalysatormoleküle berechnet werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Möglichkeit aufgezeigt, den Wassereinfluss durch Zugabe von Aktivator und Katalysator zu kompensieren. Die Bestimmung des Verhältnisses, bei der Reaktion von Wassermolekülen mit Aktivator- bzw. Katalysatormolekülen, wird für eine Kompensation des Wassers benötigt. Diese Kompensation bietet den Vorteil, bereits im Material befindliches Wasser zu binden, sodass die ursprüngliche Reaktionskinetik wiederhergestellt werden kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Wassereinfluss auf die anionische Polymerisation im T-RTM-Prozess untersucht. Die Analyse des Druckverlaufs in der Kavität während der Polymeri-sation zeigt, dass der Druckverlauf als Indikator für das Stattfinden der Polymerisation genutzt werden kann. Anschließend wird der Einfluss der Wasserzugabe und die Kompensation anhand der physikalischen (Restmonomergehalt, Molekulargewicht) und mechanischen Eigenschaften (Zug- und Biegeeigenschaften) polymerisierter aPA 6- und glasfaserverstärkter Proben ermittelt. Des Weiteren werden die mechanischen Eigenschaften unverstärkter und verstärkter Platten nach der Kompensation des Wassereinflusses charakterisiert. Es kann gezeigt werden, dass die Steifigkeit und Festigkeit nach der ersten Kompensation des Wassers vergleichbar mit den Eigenschaften der Referenzproben sind. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis des Wassereinflusses und dessen Kompensation für die Verarbeitung von ε-Caprolactam zur präziseren Definition der Prozessparameter und Prozessfenster im T-RTM-Prozess. Die Einfüllzeit der Matrixkomponenten, Trocknungszeit der Glasfasern, Handlingszeit der Glasfaserhalbzeuge vom Ofen bis ins Werkzeug und Injektionszeit werden anhand der ermittelten Ergebnisse abgeleitet. Es kann gezeigt werden, dass Glasfasern mit entsprechendem Sizing eine sehr geringe Feuchtebeladung besitzen und dadurch eine geringe Rolle bei der Beeinflussung der anionischen Polymerisation spielen. Die Hygroskopie der Matrixkomponenten verursacht eine schnelle Feuchtebeladung während der Einfüllzeit. Deshalb ist die Definition der maximalen Einfüllzeit ein wesentlicher Parameter bei der Realisierung eines reproduzierbaren T-RTM-Prozesses.