Herstellung, Modifikation und Anwendung faserverstärkter Duromere unter Einsatz von Vlies aus Carbonfaser-Rezyklat

Mankiewicz, Jasmin GND

Wegen der steigenden Nachfrage nach Carbonfaser-Bauteilen für den Leichtbau wird der Absatz für Carbonfasern in Zukunft weiter stark steigen. Produktionsbedingt fallen 10 - 30 % kostenintensive Carbonfaserabfälle durch spezifikationsverfehlende Produkte, Verschnitte an beispielsweise Faser-Halbzeugen an und viele Bauteile, die im Bereich Luft- und Raumfahrt zur Zeit ihr Lebensende erreichen. Besonderen Druck erfährt der CF Sektor durch das Deponierverbot von Carbonfasern, sowie gesetzli-chen Regelungen wie der Altfahrzeuge Richtlinie nach der von 85 % eines Autos re-cycelbar sein muss. Das Recycling rückt deswegen in den Fokus. Die möglichen Recyc-lingverfahren können in drei Arten unterteilt werden: stoffliches, thermisches und chemisches Recycling. Da als Vorstufe jedes Recyclingprozesses die Zerkleinerung steht, verlieren die CF sowohl ihre Ursprungslänge, wie auch ihre gewobene Struk-tur. Die Wiederverwendung von recycelten Fasern ist nur in Schnittfasermatten sinnvoll möglich. Die Herstellung der Kohlenstofffaservliesstoffe kann über drei Her-stellungsverfahren erfolgen, aerodynamisch, mittels Krempel und hydrodynamisch (Nassvliesverfahren). Für die Untersuchungen an der Hochschule Niederrhein bietet das Nassvliesverfahren eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise eine einfachere Handhabung bei elektrischen Geräten durch das Ausbleiben von Staub. Ziel dieses Projektes es, die Machbarkeit des Nassvliesprozesses auch für recycelte Fasern nachzuweisen und die hergestellten Vliese später mit Hilfe des Resin Transfer Molding Verfahrens (kurz: RTM) zu Verbundwerkstoffen weiterzuverarbeiten. Um die geeigneten Anwendungsbereiche für Vliesverstärkung in Kunststoffen bestimmen zu können, wird im Rahmen der Untersuchung der Hochschule Niederrhein in Krefeld das Material in erster Linie anhand seiner Orientierung und mechanischen Kennwer-te genau charakterisiert. Der Schwerpunkt wird auf die Eigenschaften Zugfestigkeit, Elastizitäts-Modul, Biegesteifigkeit und Energieaufnahme gelegt und soll dazu die-nen ein Datenblatt für das definierte Verbundsystem zu erstellen. Dabei werden eine Reihe von veränderbaren Parametern wie Faserlänge, Faservolumengehalt, Dis-pergiermittel, Haftvermittler und Harzsystem untersucht. Anschließend soll das Ver-bundsystem unter Einsatz der G’sell Jonas Gleichung für Temperatur- und Dehnra-tenabhängigkeit modelliert werden und das Materialverhalten mit Helius Composite 2017 und ANSYS Workbench 18.2 nachgestellt, sowie die untersuchten Material-kennwerte mit guter Übereinstimmung berechenbar gemacht werden. Als Ergebnis wurden recyclte Carbonfaservliese erfolgreich im industriellen Maßstab hergestellt. Dabei wurde die Erkenntnis gewonnen, dass Fasern aus dem Pyroly-seprozess in dem angewendeten System aus Hydroxyethylcellulose und Polysorbat 85 die besten Ergebnisse liefern. Grundsätzlich lassen sich Faserflächengewichte zwi-schen 30 - 100 g/m² herstellen, die bis zu einer Faserlänge von 12 mm problemlos auf einer Nassvliesanlage verarbeitet werden können. Anschließend können diese Vliese bis zu einem Faservolumengehalt von 50 % für zwei verschiedene Epoxidharz-systeme mit dem RTM-Verfahren zu Verbundplatten weiterverarbeitet werden. Die Veränderung des Systems hinsichtlich verschiedener Parameter zeigte nicht immer eine Verbesserung der mechanischen Kennwerte. Einige Parameter (Faserflächenge-wicht, Dispergiermittelart und Harzsystem) haben keinen Effekt auf die mechani-schen Kennwerte. Andere Parameter, wie Faservolumengehalt, Faserlänge und Haft-vermittler zeigen positive Einflüsse, während die Dispergiermittelmenge einen nega-tiven Einfluss besitzt. Unter Berücksichtigung der durchgeführten Charakterisierung erfolgte die Berechnung der Verformung bei mehrachsiger und einachsiger Last. Hierfür wird ein zehnlagiger unidirektionaler Aufbau mit verschiedenen Orientierun-gen benötigt. Bei Simulation konnte eine hohe Genauigkeit von 16,17 % erreicht werden.

The sales of carbon fibers will strongly increase due to the increasing demand of lightweight structures in the next years. 10 to 30 percent of valuable carbon fiber waste is produced by blending, of-spec material and end-of-life parts in aerospace. End of Life vehicle guideline which includes that 85 percent in a car has to be recy-clable and a land fill ban in Europe puts the carbon fiber sector under much pres-sure. Therefore research is focused on recycling. There are three main types: materi-al, thermal and chemical recycling. Since every component has to be shredded be-fore recycling carbon fibers lose their length and woven structure. These fibers can only be reasonably be reused in a mat. Carbon fiber mats can be produced by using air-lay processes, carding machines and wet-lay processes. For investigations at Uni-versity of Applied Sciences Niederrhein the wet-lay process has some advantages such as absence of conductive dust which can damage electrical appliances. Main objective of the project is the feasibility of wet-lay process with recycled car-bon fibers and further processing to composites with Resin Transfer Molding pro-cess. After that the composites are analyzed concerning their orientation and me-chanical properties to fix possible applications. Emphasis is put on strength, elastic modulus, flexural stiffness and energy absorption for creating a data sheet for this composite. Included is the investigation of different parameters as fiber length, fiber volume fraction, dispersing agents, bonding agents and different resin systems. Sub-sequently, G’sell Jonas equation is used to model dependency of temperature and strain rate. Helius Composite 2017 and ANSYS Workbench 18.2 are used to simulate the mechanical properties with reasonable agreement to the measured values. One result is the successful manufacturing of carbon fiber fleece in industrial scale. Main findings is, that pyrolysis fibers with hydroxyl ethyl cellulose and Polysobat 85 reach the best results. Generally fleece with an areal weight of 30- 100 g/m² and a maximum fiber length of 12 mm can be produced. For impregnation a maximum fiber volume fraction of 50 % can be realized in the composite. Some of the investi-gated parameters showed no effect on the mechanical properties. These parameters are fiber areal weight, types of dispersing agents and different resin systems. Other parameters as fiber volume fraction, fiber length and bonding agents have positive effects while amount of dispersing agent has negative effects. In consideration of characterization the simulation of deformation with uniaxial and multiaxial loads was carried out. Therefore ten unidirectional layers with different orientations are needed to model the isotropic fleece composites in the software. As a result a high accuracy of 16.17% could be achieved.

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Mankiewicz, J., 2019. Herstellung, Modifikation und Anwendung faserverstärkter Duromere unter Einsatz von Vlies aus Carbonfaser-Rezyklat. https://doi.org/10.17185/duepublico/70029
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