Anpassung des Direktverfahrens zur Herstellung und Verarbeitung von langfaserverstärkten Duromeren im Reaktivspritzguss (LFD-Spritzgussprozess) auf die Verwendung von Kohlenstofffasern anstelle von Glasfasern

• Antragsteller: Dr.-Ing. Wilfried Liebig, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400343062

Faserverstärkte Phenolharze zählen zu den ältesten technischen Kunststoffen und sind aufgrund ihrer Eigenschaften vielseitig einsetzbar. Neben guten thermo-mechanischen Eigenschaften besitzen sie eine ausgezeichnete Medienbeständigkeit und eine hohe Maßhaltigkeit. Ihre Verarbeitung geschieht im Spritzgussverfahren. Im Gegensatz zu Thermoplasten weisen Bauteile aus Phenolharz-Formmassen eine geringe Bruchdehnung und eine niedrige Schlagzähigkeit auf. Diese nachteiligen Werkstoffeigenschaften hemmen den Einsatz von faserverstärkten Phenolharzen in zahlreichen Anwendungen. Im Projekt „LFD-Spritzgussprozess“ wurde am Beispiel von glasfaserverstärkten Phenolharz-Formmassen untersucht, inwiefern diese Nachteile durch eine Steigerung der Faserlänge im Bauteil abgemindert werden können. Ziel des diese Projekts ist es nun zu ermitteln, wie das Eigenschaftsprofil der langfaserverstärkten Phenolharz-Formmassen durch die Verwendung von langen Kohlenstofffasern (LCF) im Vergleich zu Glasfasern (LGF) weiter verbessert werden kann. Anlagentechnisch soll dies durch die variable Zudosierung der LCF in den Spritzgussprozess geschehen. Dazu sollen die Unterschiede zwischen LGF und LCF in Bezug auf das Schneiden, Zuführen und Homogenisieren der Fasern ermittelt werden. Parallel werden bereits für Glasfasern etablierten Analysemethoden auf kohlenstofffaserverstärkte Phenolharze angepasst.Im Rahmen des Projekts werden zunächst geeignete Kohlenstofffasern und Phenolharze für den LFD-Prozess ausgewählt und zu Formmassen compoundiert. Die Spritzgießbarkeit der in der Doppelschneckenextrusion herzustellenden Formmassen wird mithilfe von kalorimetrischen (DSC), rheologischen (Oszillations-Rheologie) sowie typischen at-line Qualitätssicherungsmethoden (Orifice Flow Test OFT) sichergestellt. Um die Auswirkungen von unterschiedlichen Material- und Prozessparametern auf die Faserlängenverteilung bewerten zu können, wird eine bereits für Glasfasern entwickelte Messmethode auf die Verwendung von Kohlenstofffasern angepasst und erneut validiert. Die Methode basiert auf der pyrolytischen Entfernung der Matrix, gefolgt von einer automatisierten Bildauswertung einer wässrigen Faser-Suspension. Die vorhandene LFD-Prozesstechnologie zur Langfaserverarbeitung im Duromer-Spritzgussprozess soll möglichst unverändert für die Verarbeitung von Kohlenstofffasern übernommen werden, um eine Vergleichbarkeit der Prozessführungen für beide Fasersysteme zu gewährleisten. Die Einarbeitungsgüte der LCF in das Phenolharz soll dabei anhand der gegenläufigen Effekte der (unerwünschten) Faserkürzung und der (erforderlichen) Faserdispergierung charakterisiert werden. Dabei wird auf die Faserlängenmessung sowie computertomographische Auswertungen zurückgegriffen. Abschließend wird das Ziel verfolgt, die Arbeitsergebnisse der vorherigen Arbeiten zusammenzuziehen und die Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung für die hergestellten Formmassen und Bauteile abzuleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Kay A. Weidenmann
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Elsner, bis 9/2022 (†)