Carbamat-geschäumte Epoxidharze – Optimierung von Brandverhalten und Mechanik durch Füllstoffe

Titelangaben

Kayßer, Simon Tino:
Carbamat-geschäumte Epoxidharze – Optimierung von Brandverhalten und Mechanik durch Füllstoffe.
Bayreuth , 2024 . - XIV, 192 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Anwendungsfelder wie die Luftfahrt und Elektromobilität treiben den Bedarf an innovativen Leichtbauwerkstoffen stetig voran. Aufgrund ihrer geringen Dichte, modifizierbarer mechanischer und thermischer Eigenschaften sind Polymerschäume im Fokus aktueller Entwicklungen. Die Eigenschaften von Polymerschäumen ergeben sich aus ihrer Morphologie und den Werkstoffeigenschaften in den Zellwänden und -stegen. Anspruchsvolle Anwendungen erfordern zusätzlich hohe thermische Beständigkeiten sowie die Einhaltung von Brandschutzrichtlinien. Hier bieten geschäumte Epoxidharze eine attraktive Lösung. Die Herstellung von Epoxidharzschäumen geht jedoch zumeist mit der Verwendung giftiger oder umweltschädlicher Treibmittel einher. Das Schäumen mittels CO2-geblockter Aminhärter, sogenannter Carbamate, stellt einen innovativen Lösungsansatz dar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das wissenschaftliche Verständnis zu erarbeiten, welches zur Entwicklung brandgeschützter Epoxy-Carbamat-Schäume für den Einsatz in Leichtbauanwendungen erforderlich ist. Nach initialer Analyse der Reaktionskinetik und Rheologie der Epoxidharzsysteme sowie Carbamat (B-IPDA) und Härter (IPDA) sowie von Verarbeitungstemperaturen und Schaumdichten, wird ein Basissystem festgelegt. Anschließend werden Füllstudien mit unterschiedlichen Flammschutzmitteln durchgeführt und die Brandeigenschaften mittels Kegelkalorimeter- und UL94-Brandversuchen evaluiert. APP mit einem Füllgrad von 20 Gew.-% wird als geeignetes Flammschutzmittel identifiziert. Die systematische Untersuchung partikelgefüllter Schaumsysteme umfasst die Evaluierung optimierter Dispergierprozesse und die Einflussanalyse von Partikelgröße, -form und Füllgrad auf die Schaumeigenschaften. Durch die Realisierung von Schäumen mit einer Dichte von unter 300 kg/m³, brandhemmenden Eigenschaften (UL94 HB und V 0) und einer Druckfestigkeit von über 7 MPa kann das technische Anwendungspotenzial Carbamat-geschäumter Epoxidharze aufgezeigt und am Beispiel von Sandwich-SMC Pressversuchen exemplarisch validiert werden.

Abstract in weiterer Sprache

Applications in aviation and electromobility constantly drive the need for innovative lightweight materials. Due to their low density as well as modifiable mechanical and thermal properties, polymer foams are in the focus of current research. The properties of polymer foams result from the combination of morphology and material properties in the cell walls and rods. Demanding applications additionally require high thermal resistance as well as a compliance with fire protection guidelines. Here, foamed epoxy resins offer a promising solution. However, the production of epoxy resin foams is usually accompanied by the use of toxic or environmentally harmful blowing agents. Foaming with CO2-blocked amine hardeners, so-called carbamates, represents an innovative solution approach. The aim of the present work is to develop the scientific understanding required for the development of flame retardant epoxy-carbamate-foams for the application in lightweight constructions. After initial analysis of the reaction kinetics and rheology of the epoxy resin systems with carbamate (B-IPDA) and hardener (IPDA) as well as the correlation with processing temperatures and foam densities, a base system is determined. Subsequently, filling studies with different flame retardants are carried out. The burning properties are evaluated by means of cone calorimeter and UL94 tests. APP with a filler degree of 20 wt.-% is identified as a suitable flame retardant. The systematic investigation of particle-filled foam systems includes the evaluation of optimised dispersion processes and the influence analysis of particle size, shape and filler degree on the foam properties. By realising foams with a density below 300 kg/m³, flame retardant properties (UL94 HB and V 0) and a compressive strength above 7 MPa, the technical application potential of carbamate-foamed epoxy resins is demonstrated and validated using the example of sandwich-SMC compression trials.