Durability of flax fibre/bio-epoxy sustainable composites for structural application
Creators: name: Jia, Yunlong
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2020
Subjects: classificationCode: 600
subject: Technik
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften

description: Umweltverträglichkeit und Ökoeffizienz sind wichtige Anforderungen an die neue Materialgeneration. Mit synthetischen Glas-/Kohlenstofffasern verstärkte Polymerverbundwerkstoffe werden in Hochleistungsbauteilen umfassend eingesetzt, sind aber nicht umweltfreundlich. Naturfasern (insbesondere Flachsfasern), die mit biobasierten Polymeren verstärkt sind, gewinnen daher aufgrund ihrer ökologischen Vorteile und guten spezifischen mechanischen Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. In jüngster Zeit ist der Einsatz von nachhaltigen Naturfaserverbundwerkstoffen (NFCs) in Strukturbauteilen für die Industrie von großem Interesse, deren Langlebigkeit jedoch bisher nur unzureichend bekannt ist. Die Arbeit untersucht die Alterungseffekte von Feuchtigkeit und Wasser sowie die mechanische Belastbarkeit von Flachsfaserverbundwerkstoffen (FFCs) auf lange Sicht. Verbundlaminate werden aus Flachsfasern und einem biobasierten Epoxidharz im Harzinjektionsverfahren hergestellt. Es wird festgestellt, dass FFCs gute statisch-mechanische Eigenschaften aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften zeigen jedoch eine Empfindlichkeit gegenüber der Wasseraufnahme. Der Verbundmodul und die Faser-Matrix-Grenzflächenbindung nehmen mit der Wasseraufnahme ab, während die Verbundfestigkeit je nach Faseranordnung unterschiedliche Trends bei der Wasseraufnahme aufweist. In einigen Fällen hat die Wasseraufnahme einen positiven Einfluss auf die Verbundfestigkeit. Die Zugfestigkeit von [0°] FFCs in Faserrichtung zeigt eine Abnahme zu Beginn der Wasseraufnahme und einen nachfolgenden Anstieg von bis zu 15% gegenüber der Festigkeit im trockenen Zustand. Die Wasserabsorptionsempfindlichkeit von FFCs wird erfolgreich durch einen in dieser Arbeit vorgeschlagenen Furfurylalkohol-(FA)-Behandlungsansatz verbessert. Durch die verbesserte Faser-Matrix Anbindung und der Bindung zwischen Fasern wird die Feuchtigkeitsaufnahme verringert. Die mechanischen Eigenschaften werden ebenfalls weniger durch Wasseraufnahme beeinträchtigt. Die Kriechverformung von FFCs wird hervorgehoben. [0°] FFCs weisen eine nennenswerte Kriechverformung bei geringer Belastung auf, die hauptsächlich durch die zeitabhängige Scherverformung der Matrizen (Hemicellulose/Pektin-Matrix in Flachsfasern und der Epoxid-Matrix) verursacht wird. Die Kriechverformung kann durch den in dieser Studie vorgeschlagenen FA-Behandlungsansatz signifikant reduziert werden. Die Wasseraufnahme kann die Zeitstandfestigkeit von FFCs bei hoher Belastung verlängern. Die Dauerfestigkeit für eine hohe Anzahl von Zyklen (1 Million) beträgt für [0°] FFCs ca. 120 MPa (40% der Bruchzugfestigkeit) und für [±45°] FFCs ca. 40 MPa (55% der Bruchzugfestigkeit). Interessanterweise steigt die Steifigkeit von [0°] FFCs über die Ermüdungslebensdauer, was sich an der erhöhten Steigung der Hysterese Schleife mit der Anzahl der Lastzyklen zeigt. Die Versteifungswirkung wird auf die Neuausrichtung der Flachsfasern über die Lebensdauer zurückgeführt.
description: Environmental sustainability and eco-efficiency are important requirements for new generation of materials. Polymer composites reinforced with synthetic glass/carbon fibres are extensively applied in high performance structural components but they are not eco-friendly. Natural fibres (especially flax fibres) reinforced bio-based polymers therefore gain growing attention owing to their inherent environmental benefits and good specific mechanical properties. Recently, the application of sustainable natural fibre composites (NFCs) in structural components is of great interest to industry, however their durability is not well understood to date. The work investigates the moisture/water ageing effects and the mechanical durability of a flax fibre reinforced composites (FFCs) in long term. Composite laminates are made of flax fibres and a bio-based epoxy via resin transfer moulding process. It is found that FFCs do exhibit good static mechanical properties. However, the mechanical properties show a sensitivity to water absorption. Composites modulus and fibres-matrix interfacial bonding decrease with water absorption, while composite strength shows distinct trends upon water absorption depending on the layout of fibres. In some cases water absorption has a positive effect on the composite strength. Tensile strength of [0°] FFCs in fibre direction demonstrates a decrease in the beginning of the water absorption and a followed increase of up to 15% higher than the strength at dry state. The water absorption sensitivity of FFCs is successfully improved by a furfuryl alcohol (FA) treatment approach proposed in this work. Both moisture absorption rate and retention properties are improved as a consequence of improved fibre-matrix and inter-fibre bonding. Attention on the creep deformation of FFCs is highlighted. [0°] FFCs display appreciable creep deformation at low stress mainly caused by the time- dependent shear deformation of the matrices (hemicellulose/pectin matrix in flax fibres and the epoxy matrix). The creep deformation can be significant reduced by FA treatment approach proposed in this study. Water absorption can extend the creep rupture life of FFCs at high stress. The fatigue strength for a high number of cycles (1 million) is approximatively 120 MPa (40% of the ultimate tensile strength) for [0°] FFCs, and is approximately 40 MPa (55% of the ultimate tensile strength) for [±45°] FFCs. Interestingly, the fatigue dynamic modulus of [0°] FFCs increases over the fatigue life, evidenced by the increased slope of the hysteresis loop with the number of load cycles. The stiffening effect is attributed to the realignment of flax fibres over fatigue life.