TY - BOOK

T1 - Mikrostrukturoptimierung und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von duromeren Nanoverbunden

AU - Moser, Andreas

N1 - nicht gesperrt

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Durch die fortwährend steigenden Materialanforderungen an polymere Isolationswerkstoffe hinsichtlich thermischer und vor allem elektrischer Performance, ist eine Weiterentwicklung dieser unumgänglich. Vor allem zur Verbesserung der thermischen Performance ist eine Steigerung des Wärmetransports aus dem Material oder eine Erhöhung des Materialerweichungspunktes notwendig. Ein moderner und möglicher Ansatz um diese geforderten Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen ist der Einsatz von nanoskalierten Füllstoffen, die sowohl die thermische Leitfähigkeit als auch die thermo-mechanische und elektrische Performance des Materials positiv beeinflussen sollen. Im Zuge dieser Arbeit erfolgte die Weiterentwicklung duromerer Isolationssysteme für Anwendungen in der Elektroindustrie. Bei der Entwicklung der Nanoverbunde wurde dabei auf kommerziell verfügbare Systeme, wie nicht-modifizierte Siliziumoxid- bzw. Aluminiumoxidnanopartikel und oberflächen-modifizierte Siliziumoxidpartikel, zurückgegriffen. Die Entwicklung und Charakterisierung dieser Epoxid-Anhydrid Systeme erfolgte vom Molekül bis zum seriengefertigten Bauteil inklusive anschließendem Recyclingverfahren. Im molekularen Größenbereich erfolgte die chemische Beschreibung der Vernetzungsreaktion (und etwaige Einflüsse) der verwendeten Epoxid-Anhydrid Harzsysteme (Amin- und Zinksalz-beschleunigt) sowie deren Aktivierungsenergien durch die Methode der dynamischen Differenz Kalorimetrie. Dabei wurde eine Beeinflussung der Vernetzungsreaktion des Zinksalz-beschleunigten Systems durch nanoskalierte Aluminiumoxidpartikel aufgezeigt, die in der Fachliteratur im Bereich polymerer Systeme nicht aufgearbeitet ist. Zum Zweck der Prüfkörperherstellung wurde auf den Plattenherstellungsprozess der Nanoverbundsysteme inklusive Partikeleinmischprozess und qualitativer Partikelverteilungscharakterisierung näher eingegangen, wobei die Verteilung der oberflächenmodifizierten Partikel am besten ausfiel. Anschließend erfolgte die Charakterisierung der thermischen und thermo-mechanischen Eigenschaften mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) und stationärer Wärmeleitfähigkeitscharakterisierung in Abhängigkeit des Partikelfüllgrades. Im Bereich der Glasübergangscharakterisierung war erneut der Aluminiumoxidpartikeleinfluss auf das Zinksalz-beschleunigte System sichtbar. Der Bereich der mechanischen Charakterisierung wurde durch die Prüfmethoden der 3-Punkt Biegeprüfung, der Schlagzähigkeitsuntersuchung und bruchmechanischer Charakterisierungen der Nanoverbunde abgedeckt. Zur Klärung der großtechnischen Anwendbarkeit dieser entwickelten Nanoverbundharze erfolgte die Herstellung von endlosfaserverstärkten Profilen mittels Pultrusionsverfahren und anschließenden Charakterisierungen. Die daraus gewonnen Ergebnisse zeigten eine thermische Eigenschaftsverbesserung sowie die prinzipielle Anwendbarkeit im Serienprozess. Anschließend an diese Materialentwicklung wurde ein praktikables Szenario des Verbundrecyclings näher beleuchtet. Die Thematik beschreibt eine Möglichkeit der Rückführung von Produktionsabfällen in den laufenden Pultrusionsprozess. Die Entwicklung bzw. Etablierung dieses Verfahrens erfolgte in zwei Schritten. Im Ersten wurde eine Füllgradstudie (bis zu einem Füllgrad von 50 m%) an Epoxidverbunden durchgeführt, die die grundsätzliche Frage der Machbarkeit klären sollte. Die Charakterisierung erfolgte dabei thermo-mechanisch (DMA) und mechanisch (3-Punkte Biegetest und Schlagzähigkeitsuntersuchungen). Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurden im zweiten Schritt erfolgreich Endlosglasfaserprofile im Pultrusionsverfahren mit einem Füllgrad von 15 m% hergestellt.

AB - Durch die fortwährend steigenden Materialanforderungen an polymere Isolationswerkstoffe hinsichtlich thermischer und vor allem elektrischer Performance, ist eine Weiterentwicklung dieser unumgänglich. Vor allem zur Verbesserung der thermischen Performance ist eine Steigerung des Wärmetransports aus dem Material oder eine Erhöhung des Materialerweichungspunktes notwendig. Ein moderner und möglicher Ansatz um diese geforderten Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen ist der Einsatz von nanoskalierten Füllstoffen, die sowohl die thermische Leitfähigkeit als auch die thermo-mechanische und elektrische Performance des Materials positiv beeinflussen sollen. Im Zuge dieser Arbeit erfolgte die Weiterentwicklung duromerer Isolationssysteme für Anwendungen in der Elektroindustrie. Bei der Entwicklung der Nanoverbunde wurde dabei auf kommerziell verfügbare Systeme, wie nicht-modifizierte Siliziumoxid- bzw. Aluminiumoxidnanopartikel und oberflächen-modifizierte Siliziumoxidpartikel, zurückgegriffen. Die Entwicklung und Charakterisierung dieser Epoxid-Anhydrid Systeme erfolgte vom Molekül bis zum seriengefertigten Bauteil inklusive anschließendem Recyclingverfahren. Im molekularen Größenbereich erfolgte die chemische Beschreibung der Vernetzungsreaktion (und etwaige Einflüsse) der verwendeten Epoxid-Anhydrid Harzsysteme (Amin- und Zinksalz-beschleunigt) sowie deren Aktivierungsenergien durch die Methode der dynamischen Differenz Kalorimetrie. Dabei wurde eine Beeinflussung der Vernetzungsreaktion des Zinksalz-beschleunigten Systems durch nanoskalierte Aluminiumoxidpartikel aufgezeigt, die in der Fachliteratur im Bereich polymerer Systeme nicht aufgearbeitet ist. Zum Zweck der Prüfkörperherstellung wurde auf den Plattenherstellungsprozess der Nanoverbundsysteme inklusive Partikeleinmischprozess und qualitativer Partikelverteilungscharakterisierung näher eingegangen, wobei die Verteilung der oberflächenmodifizierten Partikel am besten ausfiel. Anschließend erfolgte die Charakterisierung der thermischen und thermo-mechanischen Eigenschaften mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) und stationärer Wärmeleitfähigkeitscharakterisierung in Abhängigkeit des Partikelfüllgrades. Im Bereich der Glasübergangscharakterisierung war erneut der Aluminiumoxidpartikeleinfluss auf das Zinksalz-beschleunigte System sichtbar. Der Bereich der mechanischen Charakterisierung wurde durch die Prüfmethoden der 3-Punkt Biegeprüfung, der Schlagzähigkeitsuntersuchung und bruchmechanischer Charakterisierungen der Nanoverbunde abgedeckt. Zur Klärung der großtechnischen Anwendbarkeit dieser entwickelten Nanoverbundharze erfolgte die Herstellung von endlosfaserverstärkten Profilen mittels Pultrusionsverfahren und anschließenden Charakterisierungen. Die daraus gewonnen Ergebnisse zeigten eine thermische Eigenschaftsverbesserung sowie die prinzipielle Anwendbarkeit im Serienprozess. Anschließend an diese Materialentwicklung wurde ein praktikables Szenario des Verbundrecyclings näher beleuchtet. Die Thematik beschreibt eine Möglichkeit der Rückführung von Produktionsabfällen in den laufenden Pultrusionsprozess. Die Entwicklung bzw. Etablierung dieses Verfahrens erfolgte in zwei Schritten. Im Ersten wurde eine Füllgradstudie (bis zu einem Füllgrad von 50 m%) an Epoxidverbunden durchgeführt, die die grundsätzliche Frage der Machbarkeit klären sollte. Die Charakterisierung erfolgte dabei thermo-mechanisch (DMA) und mechanisch (3-Punkte Biegetest und Schlagzähigkeitsuntersuchungen). Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurden im zweiten Schritt erfolgreich Endlosglasfaserprofile im Pultrusionsverfahren mit einem Füllgrad von 15 m% hergestellt.

KW - plastic

KW - thermoset

KW - nanoparticles

KW - silicondioxide

KW - aluminiumoxide

KW - recycling

KW - DMA

KW - DSC

KW - thermal conductivity

KW - 3-point bending

KW - impact properties

KW - fracture mechanics

KW - Kunststoff

KW - Duromere

KW - Nanopartikel

KW - Siliziumoxid

KW - Aluminiumoxid

KW - Recycling

KW - DMA

KW - DSC

KW - Wärmeleitfähigkeit

KW - 3-Punkt Biegung

KW - Schlagzähigkeit

M3 - Dissertation

ER -