Faserkunststoffverbunde im Schienenverkehr – Flammschutzstrategien für niedrigviskose Epoxidharze

Titelangaben

Häublein, Markus:
Faserkunststoffverbunde im Schienenverkehr – Flammschutzstrategien für niedrigviskose Epoxidharze.
Bayreuth , 2022 . - VIII, 116 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Faserkunststoffverbunde (FKV) haben aufgrund des hohen Leichtbaupotentials in den vergangenen Jahren im Schienenverkehr zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um deren Einsatz zu gewährleisten, sind jedoch nicht nur mechanische Kenngrößen entscheidend, vor allem die flammhemmenden Eigenschaften spielen in diesem Transportsektor eine wichtige Rolle. Gegenwärtige Flammschutzkonzepte nutzen intrinsisch flammhemmend ausgerüstet Phenolharze oder Polyesterharze mit einem hohen Gehalt an Flammschutzmitteln (FSM) als Matrices für FKV. Epoxidharze zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität, einfache Verarbeitung und gute mechanische Eigenschaften aus, allerdings sind geeignete Additive nötig, um den Flammschutzanforderungen gerecht zu werden. Um die Harzformulierung in Einklang mit den etablierten Flüssigimprägnier-Herstell-verfahren für FKV im Schienenverkehr zu bringen, sind neue innovative Flammschutz-Strategien nötig. Durch die Verarbeitungsmethode der Flüssigimprägnierung für Decken- oder Bodenstrukturen im Zugabteil ist die Auswahl an Flammschutzmitteln auf flüssige, im Harz- bzw. Härtergemisch lösliche oder nanoskalige Additive ohne Agglomerationsneigung begrenzt. Als Additive kommen in dieser Arbeit ein 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenan-thren-10-oxid (DOPO) Novolac, ein Hexaphenoxy-Cyclotriphosphazen (kurz: Cyclophosphazene, CP) und nano-SiO2-Partikel zum Einsatz. Ziel der Arbeit ist es, eine wissenschaftliche Grundlage für die Wechselwirkung der beiden Flammschutzmittel DOPO und CP bzw. DOPO und nano-SiO2 hinsichtlich Flammschutzwirkung und mechanischer Performance zu schaffen. Der wissenschaftliche Fokus der Arbeit liegt auf der Aufklärung von Flammschutzmechanismen und dem Wechselspiel von gas- und festphasenaktiven Additiven während der Verbrennung. DOPO, als alleiniges Additiv eingesetzt, besitzt einen starken gasphasenaktiven Charakter. Es zeigt sich, dass Verkohlungsrückstände von CP durch die partielle Festphasenaktivität von DOPO unterstützt wird. Die Bildung von Verbrennungsrückständen, die die Wärmefreisetzung reduzieren, sind die Folge. Nano-SiO2 in Kombination mit DOPO resultiert in einer Festphasenaktivität des phosphorbasierten DOPO, was zur Bildung von Phosphoroxid-Gläsern führt. Neben dem Flammschutzverhalten im Reinharz werden die Transfermechanismen der Brandschutzeigenschaften in den Faserkunststoffverbund evaluiert. Es zeigen sich vor allem gasphasenaktive Flammschutzmittel als wirkungsvoll. Die matrixdominanten mechanischen Eigenschaften der Faserverbundlaminate wurden in Druckversuchen ermittelt. Es zeigt sich, dass die Interaktion der Flammschutzmittel untereinander entscheidend ist. Die Einarbeitung von Cyclophosphazene erhöht den Reinharz-Modul und folglich die Druckfestigkeit der Laminate. Die sphärischen nano-SiO2-Partikel führen ebenfalls zu einer Verbesserung der Festigkeit, erst in Kombination mit DOPO ist bei CP und SiO2 ein Festigkeitsabfall bei hohen Gehalten messbar. Dies liegt begründet in einer erhöhten Neigung des Cyclophosphazenes zur Phasenseparation bzw. der Agglomerationsbildung der nano-Partikel. Die „Post-Fire“ mechanischen Eigenschaften werden an verbrannten Cone-Kalorimeter-Proben ermittelt. Durch glasbildende Rückstände der nano-SiO2-Systeme bzw. deren Kombination mit DOPO verbessern sich die Festigkeitskennwerte der verbrannten Faserverbundlaminate. Ein „Verkleben“ der Einzellagen ist hier als Grund anzuführen.

Abstract in weiterer Sprache

Fibre-reinforced plastic composites (FRP) have become increasingly important in rail transport in recent years due to their high lightweight construction potential. In order to ensure their use, however, not only mechanical parameters are decisive; above all, flame-retardant properties play an important role in the transport sector. In order to bring these into line with the liquid impreg-nation manufacturing processes for FRP in rail transport, new innovative flame retardant strate-gies are necessary. Due to the processing method of liquid impregnation for ceiling or floor structures in train compartments, the choice of flame retardants is limited to liquid additives that are soluble in the resin or hardener mixture or nanoscale additives. The additives used in this work are a 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO) novolac, a hexa-phenoxy-cyclotriphosphazene (short: cyclophosphazene, CP) and nano-SiO2-particles. The discussion part of the paper is divided into three subchapters. First, the suitability of the flame retardant additives for liquid impregnation processes and their synergistic flame retardant effect is examined. Then the systems are transferred into fibre-reinforced plastic composite, whereby different fabric types with carbon fibre reinforcement and with glass fibre reinforce-ment are investigated. In the last part, the mechanical properties are evaluated in the compression test of the FRP laminates. The residual stability of the burnt fibre-laminates is determined by means of compression- and three-point bending tests on cone calorimeter specimens ("post-fire" mechanics). The scientific focus of the work is on the evaluation of flame retardant mechanisms and the in-teraction of gas-phase and condensed-phase active additives during combustion. DOPO used as single additive has a strong gas-phase active character. It is shown that char residues of CP are supported by the partial condensed-phase activity of DOPO. The formation of combustion resi-dues that reduce heat release are the result. Nano-SiO2 in combination with DOPO results in solid-phase activity of phosphorus-based DOPO, leading to the formation of phosphorus-silicon oxide glasses. In addition to the flame retardant behavior in the neat resin, the transfer mechanisms of the fire-retardant properties into fiber reinforced composite are evaluated. The combination effects of the flame retardants have to be matched to the fabric type, especially the mode of action of the condensed-phase active flame retardants is strongly limited by the fiber fabric. The matrix-dominant mechanical properties of the fibre laminates were determined in compres-sion tests. It is shown that the interaction of the flame retardants with each other is decisive. The incorporation of cyclophosphazene increases neat resin modulus and consequently the compres-sive strength of the laminates. The spherical nano-SiO2 particles also show an improvement in strength; only in combination with DOPO is a drop-in strength measurable for CP and SiO2 at high contents. This is due to an increased tendency of the cyclophosphazene to phase separation and the agglomeration formation of the nano-particles. The post-fire mechanical properties are mainly improved by glass-forming residues of the nano-SiO2 systems or their combination with DOPO. The reason for this is that the individual layers "stick together".