Simulation of the mode of failure and application of micro capsules in adhesives for premature damage detection
Structural Engineering, Building Informatics and Construction Operation
Final Report Abstract
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.
Publications
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