Cellulosefaser/Polyolefin-Grenzflächen

Faserverbundwerkstoffe entstehen durch die Einbettung textiler Halbzeuge aus anorganischen oder organischen Fasern in eine Matrix. Neben der konstruktiven Gestaltung der Textilstruktur – uniaxiales Gelege, Multiaxialgelege, Gewebe – sind hier grundsätzlich die Faser-Matrix-Haftung, insbesondere aber das Verhältnis der mechanischen Eigenschaften von Fasern und Matrixwerkstoff zu berücksichtigen. Bei Faserverbundwerkstoffen, die hinsichtlich der Faser/Matrix-Anbindung optimiert wurden, findet sich an der dünnen Grenzschicht zwischen Faser und Matrix häufig ein abrupter Übergang der Steifigkeiten. Dieser scharfe Eigenschaftsübergang resultiert z.B. in reduzierten Zähigkeiten und einem schlechten Dämpfungsverhalten des Verbundwerkstoffes.

In der Natur finden sich bei pflanzlichen Strukturen häufig gradierte Übergänge zwischen Festigungselementen und umgebender Matrix. Diese resultieren in gutem Dämpfungsverhalten der Pflanzenstruktur.

Ausgehend hiervon ist die Zielsetzung des Forschungsvorhabens Cellulosefaser/Polyolefin-Grenzflächen, die Auswirkung einer Photo-Polymerisation von Dünnschichten mit angepassten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften auf den Verstärkungsfasern auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs zu untersuchen. Im Fokus der Betrachtungen stehen zukunftsweisende Verbundwerkstoffe, die aus Regeneratcellulosefasern und polyolefinischer Matrix aufgebaut sind.

Zur Etablierung der Schichten im photochemischen Prozess wird das Verstärkungsgewebe in Anwesenheit von UV-polymerisierbaren Monomeren wie z.B. dem Pentaerythritoltriacrylat (PETA) bestrahlt, die als Lösungen z.B. durch Foulardieren aufgetragen werden.

Die beste Faser-Matrix-Haftung zeigten Fasern bzw. Gewebe, die in einer 5% PETA-Lösung ausgerüstet und unter einer UV-Breitband Lampe bestrahlt wurden. Durch eine Steigerung der Presstemperatur bei der Probenherstellung von 180 °C auf 210°C wird eine Erweichung des poly-PETA und eine weitere Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung erzielt werden.

 

Prüfung der Fasermatrix-Haftung durch Einzelfaserauszug

 

Um den Effekt der Behandlung im Verbundwerkstoff zu untersuchen, wurden durch Verpressen von (modifizierten) Viskose-Geweben und Polypropylenpulver 4 mm dicke Platten hergestellt und mittels des zweifach gekerbten Zugversuchens und des Charpy-Impact-Tests hinsichtlich interlaminare Scherfestigkeit und Dämpfungsverhalten charakterisiert. Die laufenden Untersuchungen zeigen bislang vielversprechende Ergebnisse.

 

Eine zweite zentrale Aufgabe war eine aussagekräftige Charakterisierung des Behandlungseffektes, speziell des Zustands der Faseroberflächen, zur Ableitung mechanistischer Zusammenhänge. Da die vernetzten Dünnschichten keine auffällige Signatur aufweisen, ist eine spektroskopische Untersuchung kaum möglich. Eine gängige Methode zur Bestimmung der Oberflächenenergien ist die Kontaktwinkelmessung eines auf dem behandelten Substrat liegenden Tropfens. Diese Methode wäre bei den vorliegenden Textilien nicht aussagekräftig, da der gemessene Kontaktwinkel nicht nur von der Faseroberfläche, sondern ebenfalls von durch die Beschaffenheit des Textils bedingte Kapillareffekte beeinflusst würde.

Als alternative Methode zur Überprüfung der Oberflächeneigenschaften wurde deshalb die inverse Gaschromatographie in Betracht gezogen. Die inverse Gaschromatographie (IGC) kennzeichnet die Sorptionsneigung von Substanzen unterschiedlicher Polarität an einer Oberfläche und sollte in Bezug auf die durchgeführte Faserbehandlung die Frage beantworten, wie affin die durch die Deposition von z.B. poly-PETA erzeugten Oberflächen zu dem unpolaren Polypropylen sind.

Als wesentliche Aussage der IGC-Analysen ist festzuhalten, dass die zunehmende Ausbildung UV-polymerisierter Schichten vor allem die Wassersorption an der Faseroberfläche unterdrückt. Hierdurch erhöht sich die Affinität von Substanzen mit hohem n-Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient Kow, der das Verhalten in einem polaren/unpolaren Zweiphasensystem beschreibt. Zu diesen gehören Stoffe wie Benzol, aber auch Polymere wie Polypropylen. Die vorliegenden Daten deuten an, dass dieser Parameter für das vorliegende Substrat von höherer Signifikanz ist als die in der Beschreibung von Haftphänomenen gebräuchliche Grenzflächenenergie.

Angaben zum Forschungsvorhaben

Forschungsthema: „Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung und der Dämpfungseigenschaften in Cellulosefaser/Polyolefin-Verbundwerkstoffen durch photochemische Modifizierung der Faseroberflächen“
IGF-Forschungsvorhaben Nr. 18059 N
Laufzeit 01.02.2014  bis 31.01.2017

Ansprechpartner:
Dr. Thomas Bahners, Tel. +49 2151 843-2016, e-Mail: bahners@dtnw.de

 

Gemeinschaftsprojekt mit Hochschule Bremen, Bionik-Innovation-Center (BIC)