TY - BOOK

T1 - Flexible und biobasierte Epoxidharzsysteme

T2 - Entwicklung, Optimierung und Anwendung in hybriden Werkstoffen

AU - Schwaiger, Markus

N1 - nicht gesperrt

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern, gewinnen biobasierte Kunststoffe immer mehr an Bedeutung. Dazu zählen auch hybride Werkstoffe, wie Faserverbundwerkstoffe oder Verbundwerkstoffe, die aus solchen biobasierten Kunststoffen hergestellt werden. Diese biobasierten hybriden Werkstoffe weisen, durch die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, sowohl technologische als auch ökologische Vorteile (Einsparung fossiler Rohstoffe; reduzierte CO2-Emissionen) gegenüber herkömmlichen petrochemischen Materialien auf. Bislang wurden hier allerdings überwiegend möglichst steife Epoxidharze in Betracht gezogen, um Werkstoffe für höchste mechanische Anforderungen zu erhalten. Das Potential von flexiblen (biegeweichen) Epoxidharzen für biobasierte hybride Werkstoffe wurde bislang nicht umfassend untersucht. Aus diesem Grund beschäftigte sich diese Arbeit mit der Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung von biobasierten hybriden Werkstoffen unter Verwendung flexibler Epoxidharze. Dies inkludiert sowohl flexible Faserverbundwerkstoffe (biegeweiche Materialien mit gleichzeitig hohen mechanischen Eigenschaften für den Einsatz als technische Textilien) als auch Verbundwerkstoffe mit erhöhter Bruchzähigkeit. Besonderer Fokus lag hierbei auf einem möglichst hohen biobasierten Kohlenstoffgehalt sowie der Vermeidung gesundheitlich bedenklicher Chemikalien.Hierfür wurde zunächst ein biobasiertes Epoxidharz auf Basis von Pflanzenölen und Sebacinsäure entwickelt, welches bei Raumtemperatur flexibel ist. Dazu wurden verschiedene industriell verfügbare epoxidierte Pflanzenöle mit variierendem Epoxid-Äquivalenzgewicht und Reinheitsgrad herangezogen. Unter Verwendung eines experimentell mittels dynamischer Differenzkalorimetrie und Infrarotspektroskopie optimierten Mischungsverhältnisses (Carboxyl/Epoxid-Gruppe im molaren Mischungsverhältnis von R=0,69), wurden mit einem epoxidertem Leinöl mit medizinischem Reinheitsgrad die besten mechanischen Eigenschaften erzielt (Zugfestigkeit von 1,3 MPa bei einer Bruchdehnung von 27%). Diese waren unabhängig vom Epoxid-Äquivalentgewicht im Bereich industrieller Schwankungen. Das biobasierte Epoxidharz war zudem unter kontrollierten Kompostierbedingungen biologisch abbaubar (32% in 52 Tagen).Für die flexiblen Faserverbundwerkstoffe wurden Gestricke als Verstärkungsstruktur herangezogen. Um Kenntnisse über das Verformungsverhalten solcher flexiblen Faserverbundwerkstoffen zu gewinnen wurden Zugversuche unter Verwendung von digitaler Bildkorrelation durchgeführt. Dies erfolgte anhand einer Interlock-Struktur und einem etablierten petrochemischen Harzsystem zum Aufbau einer soliden Wissensgrundlage. Zusätzlich wurde der Einfluss des Fasermaterials auf die Zugeigenschaften der Gestricke und Faserverbundwerkstoffe ermittelt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Gestricke aus Viskose als Verstärkungsstruktur für das biobasierte Epoxidharz ausgewählt. Hierbei wurde der Einfluss drei unterschiedlicher Strickstrukturen auf die Zug-, Biege-, Weiterreiß- und Durchstoßeigenschaften untersucht. Die beste mechanische Performance (höchste Zug- und Weiterreißfestigkeit sowie absorbierte Energie im Durchstoßversuch) wurde mit der Interlock-Struktur erzielt, wobei hier der Biegemodul im mittleren Bereich lag. Allgemein zeichnen sich die entwickelten Faserverbundwerkstoffe durch eine besonders hohe Flexibilität aus (geringer Biegemodul im Bereich zwischen 21 und 207 MPa), wodurch sie äußerst vielversprechend für den Einsatz als technische Textilien sind.Beim Werkstoffverbund war das Ziel, durch den Einsatz des flexiblen, biobasierten Epoxidharzes eine Erhöhung der Bruchzähigkeit in einem steifen Epoxidharz zu erreichen. Dazu wurde ein steif-flexibel-steifer Schichtaufbau realisiert, bei welchem das entwickelte biobasierte Epoxidharz die flexible Mittelschicht bildete. Für die steifen Außenschichten wurde Zitronensäure als Härter für das epoxidierte Leinöl eingesetzt, wodurch nach Aushärtung ein steifes Epoxidharz erzielt wurde. Die Bruchzähigkeit wurde mittels monotonen 3-Punkt-Biegeversuchen an einseitig gekerbten Prüfkörpern ermittelt. Durch den gewählten Schichtaufbau wurde bereits bei einer Mittelschichtdicke von 0,1 mm die Bruchzähigkeit des steifen Epoxidharzes um das 13-fache erhöht. Allerdings nahm dabei die Steifigkeit um 44% ab. Eine Erhöhung der Mittelschichtdicke auf 1,3 mm führte zu einem weiteren Anstieg der Bruchzähigkeit auf das 24-fache, aber auch zu einer Reduktion der Steifigkeit um 67%.Schlussfolgernd wurde in dieser Arbeit die Verwendbarkeit biobasierter, flexibler Epoxidharze in hybriden Werkstoffen wie Faserverbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden demonstriert. Um die Vorteile gegenüber herkömmlichen Epoxidharzen in Zukunft weiter auszubauen, gilt es vor allem die Aushärtedauer und somit den erforderlichen Energieaufwand bei der Herstellung zu reduzieren.

AB - Um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern, gewinnen biobasierte Kunststoffe immer mehr an Bedeutung. Dazu zählen auch hybride Werkstoffe, wie Faserverbundwerkstoffe oder Verbundwerkstoffe, die aus solchen biobasierten Kunststoffen hergestellt werden. Diese biobasierten hybriden Werkstoffe weisen, durch die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, sowohl technologische als auch ökologische Vorteile (Einsparung fossiler Rohstoffe; reduzierte CO2-Emissionen) gegenüber herkömmlichen petrochemischen Materialien auf. Bislang wurden hier allerdings überwiegend möglichst steife Epoxidharze in Betracht gezogen, um Werkstoffe für höchste mechanische Anforderungen zu erhalten. Das Potential von flexiblen (biegeweichen) Epoxidharzen für biobasierte hybride Werkstoffe wurde bislang nicht umfassend untersucht. Aus diesem Grund beschäftigte sich diese Arbeit mit der Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung von biobasierten hybriden Werkstoffen unter Verwendung flexibler Epoxidharze. Dies inkludiert sowohl flexible Faserverbundwerkstoffe (biegeweiche Materialien mit gleichzeitig hohen mechanischen Eigenschaften für den Einsatz als technische Textilien) als auch Verbundwerkstoffe mit erhöhter Bruchzähigkeit. Besonderer Fokus lag hierbei auf einem möglichst hohen biobasierten Kohlenstoffgehalt sowie der Vermeidung gesundheitlich bedenklicher Chemikalien.Hierfür wurde zunächst ein biobasiertes Epoxidharz auf Basis von Pflanzenölen und Sebacinsäure entwickelt, welches bei Raumtemperatur flexibel ist. Dazu wurden verschiedene industriell verfügbare epoxidierte Pflanzenöle mit variierendem Epoxid-Äquivalenzgewicht und Reinheitsgrad herangezogen. Unter Verwendung eines experimentell mittels dynamischer Differenzkalorimetrie und Infrarotspektroskopie optimierten Mischungsverhältnisses (Carboxyl/Epoxid-Gruppe im molaren Mischungsverhältnis von R=0,69), wurden mit einem epoxidertem Leinöl mit medizinischem Reinheitsgrad die besten mechanischen Eigenschaften erzielt (Zugfestigkeit von 1,3 MPa bei einer Bruchdehnung von 27%). Diese waren unabhängig vom Epoxid-Äquivalentgewicht im Bereich industrieller Schwankungen. Das biobasierte Epoxidharz war zudem unter kontrollierten Kompostierbedingungen biologisch abbaubar (32% in 52 Tagen).Für die flexiblen Faserverbundwerkstoffe wurden Gestricke als Verstärkungsstruktur herangezogen. Um Kenntnisse über das Verformungsverhalten solcher flexiblen Faserverbundwerkstoffen zu gewinnen wurden Zugversuche unter Verwendung von digitaler Bildkorrelation durchgeführt. Dies erfolgte anhand einer Interlock-Struktur und einem etablierten petrochemischen Harzsystem zum Aufbau einer soliden Wissensgrundlage. Zusätzlich wurde der Einfluss des Fasermaterials auf die Zugeigenschaften der Gestricke und Faserverbundwerkstoffe ermittelt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Gestricke aus Viskose als Verstärkungsstruktur für das biobasierte Epoxidharz ausgewählt. Hierbei wurde der Einfluss drei unterschiedlicher Strickstrukturen auf die Zug-, Biege-, Weiterreiß- und Durchstoßeigenschaften untersucht. Die beste mechanische Performance (höchste Zug- und Weiterreißfestigkeit sowie absorbierte Energie im Durchstoßversuch) wurde mit der Interlock-Struktur erzielt, wobei hier der Biegemodul im mittleren Bereich lag. Allgemein zeichnen sich die entwickelten Faserverbundwerkstoffe durch eine besonders hohe Flexibilität aus (geringer Biegemodul im Bereich zwischen 21 und 207 MPa), wodurch sie äußerst vielversprechend für den Einsatz als technische Textilien sind.Beim Werkstoffverbund war das Ziel, durch den Einsatz des flexiblen, biobasierten Epoxidharzes eine Erhöhung der Bruchzähigkeit in einem steifen Epoxidharz zu erreichen. Dazu wurde ein steif-flexibel-steifer Schichtaufbau realisiert, bei welchem das entwickelte biobasierte Epoxidharz die flexible Mittelschicht bildete. Für die steifen Außenschichten wurde Zitronensäure als Härter für das epoxidierte Leinöl eingesetzt, wodurch nach Aushärtung ein steifes Epoxidharz erzielt wurde. Die Bruchzähigkeit wurde mittels monotonen 3-Punkt-Biegeversuchen an einseitig gekerbten Prüfkörpern ermittelt. Durch den gewählten Schichtaufbau wurde bereits bei einer Mittelschichtdicke von 0,1 mm die Bruchzähigkeit des steifen Epoxidharzes um das 13-fache erhöht. Allerdings nahm dabei die Steifigkeit um 44% ab. Eine Erhöhung der Mittelschichtdicke auf 1,3 mm führte zu einem weiteren Anstieg der Bruchzähigkeit auf das 24-fache, aber auch zu einer Reduktion der Steifigkeit um 67%.Schlussfolgernd wurde in dieser Arbeit die Verwendbarkeit biobasierter, flexibler Epoxidharze in hybriden Werkstoffen wie Faserverbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden demonstriert. Um die Vorteile gegenüber herkömmlichen Epoxidharzen in Zukunft weiter auszubauen, gilt es vor allem die Aushärtedauer und somit den erforderlichen Energieaufwand bei der Herstellung zu reduzieren.

KW - fiber-reinforced composite

KW - multi-layer composite

KW - linseed oil

KW - epoxy

KW - flexible

KW - renewable

KW - knitted fabric

KW - biodegradable

KW - bio

KW - Faserverbundwerkstoff

KW - Werkstoffverbund

KW - Leinöl

KW - Epoxid

KW - flexibel

KW - erneuerbar

KW - Gestrick

KW - biologisch abbaubar

KW - bio

M3 - Dissertation

ER -