Wechselwirkungen zwischen Matrix-, Halbzeug- und Bauteileigenschaften von verarbeitungsoptimierten Furanharz-Prepregs (FurPreg)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Dennis Budelmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559990233

Furanharze auf Basis von Furfurylalkoholen (Polyfurfurylalkohole) stellen eine ökologisch bedeutsame, da vollständig auf nachwachsenden Rohstoffen basierende Alternative zu petrochemischen Duromeren wie Phenolharzen dar. Das große sowohl ökologische als auch werkstoffliche Potential der Furanharze für ihren Einsatz als Matrixwerkstoff in Faserverbundkunststoffen (hohe Wärme-, Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften, vorteilhaftes Brandverhalten, etc.) wird jedoch aktuell noch nicht in einem wirtschaftlich relevanten Umfang ausgenutzt. Insbesondere die mit der Polykondensation verbundene Abspaltung von Wasser während der Aushärtung ist kritisch und führt dazu, dass Bauteile entweder sehr langsam ausgehärtet werden oder ein hohes Maß an Porosität aufweisen, die die mechanische Leistungsfähigkeit der Faserverbunde stark verringert. Für das Vorhaben im Walter Benjamin-Programm wird die Forschungshypothese aufgestellt, dass sich durch gezielte Vorhärtung (B-Staging) von Furanharz-basierten Faserhalbzeugen (Prepregs und Towpregs) die Wasserfreisetzung und die damit einhergehende Bauteilporosität so weit reduzieren lässt, dass sich Bauteile mit hohen thermo-mechanischen Eigenschaften auch bei kurzen Aushärtungszeiten herstellen lassen. Gleichzeitig sollen jedoch verarbeitungsrelevante Eigenschaften erhalten bzw. optimiert werden. Es handelt sich folglich um ein Optimierungsproblem, das eine interdisziplinäre Annäherung aus der Polymerchemie, der Produktionstechnik und den Werkstoffwissenschaften unter Anwendung von Experiment und Methoden der Materialmodellierung erfordert. Auf Grundlage des Forschungsansatzes wird das übergeordnete Projektziel der Beschreibung von Wirkzusammenhängen bei der Entwicklung Furanharz-basierter, vorimprägnierter Prepregs und Towpregs mit optimierten Verarbeitungseigenschaften verfolgt. Hieraus ergeben sich zwei Teilziele, die für die erfolgreiche Umsetzung des Vorhabens zu erreichen sind: Teilziel 1 besteht in der Herstellung des verarbeitungsfähigen Halbzeugs unter Variation des Katalysatoranteils, der Schlagzähmodifizierung und B-Staging-Levels. Hierzu werden Modellharze aus Furfurylalkohol, Maleinsäureanhydrid und epoxidiertem Sojabohnenöl formuliert sowie charakterisiert. Die Harze werden in Kombination mit einer Glasfaserverstärkung für die Halbzeugherstellung verwendet und modellbasiert (Aushärtekinetik) in einen definierten B-Stage überführt. Teilziel 2 umfasst die Beschreibung des Variationseinflusses auf erzielte Verarbeitungs- und Bauteileigenschaften. Zu diesem Zweck werden im B-Stage Drapierbarkeit, Tack und Lagerfähigkeit charakterisiert sowie Aushärtezyklen abgeleitet. Anhand ausgehärteter Laminate erfolgt die mechanische Charakterisierung hinsichtlich Zugeigenschaften, interlaminarer Scherfestigkeit und Schlagzähigkeit sowie die Analyse der Porosität und der Brandeigenschaften.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle