Simulation des Versagensverhaltens und Auslegung von Mikrokapseln in Klebstoffen zur frühzeitigen Schadensdetektion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Böhm; Professor Dr.-Ing. Andreas Ricoeur
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284427521

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es konnten geeignete Syntheseschemata zur Herstellung von dichten und gleichmäßig versagenden Mikrokapseln aus aromatischem Isocyanat und Hydrazinhydrat entwickelt werden. Durch Wahl der Isocyanatkonzentration war es möglich, die Kapselwandstärke und somit auch das Freigabeverhalten gezielt zu beeinflussen. Die Einstellung der Größenverteilung konnte durch eine Nassfraktionierung realisiert werden. Im Anschluss daran wurde ein geeigneter Schadensindikator, welcher auf dem AiE- Mechanismus basiert, identifiziert und nach den erarbeiteten Syntheseschemata mikroverkapselt. Die so realisierten Kapseln lassen eine Unterscheidung zwischen geschlossenem und geöffnetem Zustand zu. Im Folgenden konnten die hergestellten Mikrokapseln durch einen scherungsarmen Mischprozesses schädigungsarm und homogen innerhalb eines Epoxidharzes dispergiert werden. Die Analyse der Kapsel- Klebstoff-Verbunde zeigt, dass die mechanischen Kennwerte wie Zugfestigkeit und E-Modul durch die Mikrokapseln des Verbundes reduziert werden. Da dieses Ergebnis durch schwache Grenzflächen verursacht werden kann, erfolgte eine Ozonisierung der Mikrokapseln. Trotz einer nur geringen Erhöhung der Oberflächenenergie wirkte sich die Vorbehandlung positiv auf die Zugfestigkeit aus, sodass die Adhäsion zwischen Mikrokapsel und Klebstoff als festigkeitsrelevanter Parameter identifiziert werden konnte. Auch kann aus den Versuchen zur Ozonisierung unmittelbar auf das Auftreten von Grenzflächendelamination bei unbehandelten Kapselwänden geschlossen werden. Darüber hinaus konnte durch den Einsatz der Mikrokapseln der Risswiderstand bzw. die Bruchzähigkeit deutlich erhöht werden. Ursachen der Steigerung sind vermutlich das nicht-planare Risswachstum sowie die erhöhte Anzahl von Sekundärrissen, bzw. die daraus resultierende erhöhte Energiedissipation. Zusätzlich sind speziell im Schnellbruchbereich Strukturen erkennbar, die auf den Crack-Pinning-Effekt schließen lassen. Die beobachtete Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte von der entsprechenden Größenfraktion konnte bislang noch nicht erklärt werden. Sowohl das Auftreten von Farbstoffinseln um geöffnete Mikrokapseln als auch die Fluoreszenzintensität der Bruchflächen in Abhängigkeit des Kapselanteils bestätigen einen Kapselbruch und den Farbstoffaustritt. Bei den TDCB-Versuchen wird der Kapselbruch wesentlich vom Makroriss und dessen Rissspitzenfeld verursacht, welches vermutlich Sekundärrisswachstum in der Bruchprozesszone initiiert. Anders verhält sich dies bei den Blockscherversuchen, die die eigentliche Überprüfung des Prinzips ermöglichen. Während unbelastete Proben nur geringfügig fluoreszieren, steigt auch hier die Intensität bereits vor dem Bruch signifikant an. In Versuchen bei 100 % und 80% der Bruchlast konnte gezeigt werden, dass auch ohne direkte Einflussnahme eines bruchrelevanten makroskopischen Risses die Mikrokapseln im Inneren der Klebverbindung geöffnet werden und ein Nachweis der Fluoreszenz möglich ist. Durch Untersuchungen im µ-CT muss nun die Grundhypothese bestätigt werden, wonach nicht unmittelbar die Schubdeformation im Klebstoff, sondern ein Mikrorissnetzwerk den Kapselbruch hervorruft und so die Fluoreszenz auslöst. Untersuchungen bei anderen Lastniveaus in Verbindung mit FE-Simulationen sollen schließlich zum Verständnis und zur Umsetzung einer kontrollierten Fluoreszenzindikation führen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Crack Growth Simulation in Elastic Materials and Interaction with Strong and Weak Interfaces. ICF14, 18.-23.6.2017, Rhodos, Griechenland
  Scheel, J. et al.
  
• Microencapsulated markers for damage detection in adhesive joints. 4th AB, 6.-7. Juli 2017, Porto, Portugal
  Kahlmeyer, M. et al.
  
• Numerische und experimentelle Untersuchungen zu bruchmechanischen Aspekten von Klebverbindungen mit Mikrokapsel-Schadensdetektion. DVM-Bericht 249, 2017
  Scheel, J. et al.
  
• The influence of strong and weak interfaces on crack propagation in plane elastic structures. GAMM 2017, 6.-10.3.2017, Weimar, Deutschland
  Scheel, J. et al.
  
• Weak and strong bi-material interfaces and their influence on propagating cracks in plane elastic structures, 2nd ICSI, Funchal, Portugal
  Scheel, J. and Ricoeur, A.
  
• Weak and strong bi-material interfaces and their influence on propagating cracks in plane elastic structures, Procedia Struct. Integrity, 5 (2017) 255-262
  Scheel, J. and Ricoeur, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.07.127)
• A comprehensive interpretation of the J-integral for interacting matrix and interface cracks. 6th International Conference on Crack Paths, 19.-21.9.2018, Verona, Italien
  Scheel, J. and Ricoeur, A.
  
• Microencapsulated Markers for damage detection in adhesive joints. 12th EURADH & 4th CLBA, 5.-7. September 2018, Lissabon, Portugal
  Kahlmeyer, M. et al.
  
• Microencapsulated markers for damage detection in adhesive joints. In The Journal of Adhesion, 2018, 94; S. 767-783
  Kahlmeyer, M. et al.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/00218464.2018.1433037)
• Verschiedene Grenzflächenmodelle und ihr Einfluss auf wachsende Risse. 50. Tagung Arbeitskreis Bruchmechanik und Bauteilsicherheit DVM, 20.2.2018, Paderborn, Deutschland
  Scheel, J. and Ricoeur, A.
  
• A comprehensive interpretation of the J-integral for cohesive interface cracks and interactions with matrix cracks. Theoret. Appl. Fract. Mech. 100 (2019), 281–288
  Scheel, J. and Ricoeur, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2019.01.016)
• Health monitoring of adhesively bonded glass elements by microcapsules. GPD Finland 2019, 26.-28. Juni 2019, Tampere, Finland
  Kahlmeyer, M. et al.
  
• Schadensdetektion an strukturellen Glasverbindungen mittels mikroverkapselter Farbstoffe. Glasbau 2019, 28.-29. März 2019, Dresden
  Kahlmeyer, M. et al.
  
• Schadensdetektion an strukturellen Glasverbindungen mittels mikroverkapselter Farbstoffe. In: Weller, B.; Tasche, S. [Hg.] Glasbau 2019, Ernst&Sohn-Verlag; S. 349-365
  Kahlmeyer, M. et al.