Beitrag zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens von aPA 6 für die Realisierung eines robusten T-RTM-Prozesses

Die Herstellung von thermoplastischen Faserverbunden im T-RTM-Prozess wurde in den letzten Jahren im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsprojekten anhand mehrerer Anwendungen demonstriert. Die Verwendung der reaktiven, niederviskosen Monomerschmelze ermöglicht die schnelle Infiltration von Faserhalbzeugen, ist jedoch sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Einer der größten Einflussfaktoren ist Wasser, das in Form von Luftfeuchtigkeit in Kontakt mit den zu verarbeitenden Materialien kommt. Die während der Verarbeitung eingebrachten Wassermoleküle reduzieren die Reaktivität der Monomerschmelze. ... mehrEine reproduzierbare Produktion ist ohne die Berücksichtigung und Kompensation des Wassereinflusses nicht möglich.
Ziel der Arbeit ist es zunächst, den Wassereinfluss auf die anionische Polymerisation von ε-Caprolactam zu quantifizieren. Zuerst wird der theoretische Wassereinfluss anhand der chemi-schen Reaktionsgleichungen berechnet, um die Größenordnung des Einflusses zu ermitteln. Die anschließende Charakterisierung der Wasseraufnahme der Matrixkomponenten und Glasfaserhalbzeuge gibt Aufschluss über das Sorptionsverhalten der Materialien und deren maximale Feuchtebeladung.
Ein bestehendes Reaktionskinetikmodell und ein Viskositätsmodell werden im ersten Teil der Arbeit so erweitert, dass die Kinetik und der Viskositätsverlauf in Abhängigkeit der Anzahl der in der Schmelze vorhandenen Aktivator- und Katalysatormoleküle berechnet werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Möglichkeit aufgezeigt, den Wassereinfluss durch Zugabe von Aktivator und Katalysator zu kompensieren. Die Bestimmung des Verhältnisses, bei der Reaktion von Wassermolekülen mit Aktivator- bzw. Katalysatormolekülen, wird für eine Kompensation des Wassers benötigt. Diese Kompensation bietet den Vorteil, bereits im Material befindliches Wasser zu binden, sodass die ursprüngliche Reaktionskinetik wiederhergestellt werden kann.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Wassereinfluss auf die anionische Polymerisation im T-RTM-Prozess untersucht. Die Analyse des Druckverlaufs in der Kavität während der Polymeri-sation zeigt, dass der Druckverlauf als Indikator für das Stattfinden der Polymerisation genutzt werden kann. Anschließend wird der Einfluss der Wasserzugabe und die Kompensation anhand der physikalischen (Restmonomergehalt, Molekulargewicht) und mechanischen Eigenschaften (Zug- und Biegeeigenschaften) polymerisierter aPA 6- und glasfaserverstärkter Proben ermittelt. Des Weiteren werden die mechanischen Eigenschaften unverstärkter und verstärkter Platten nach der Kompensation des Wassereinflusses charakterisiert. Es kann gezeigt werden, dass die Steifigkeit und Festigkeit nach der ersten Kompensation des Wassers vergleichbar mit den Eigenschaften der Referenzproben sind.
Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis des Wassereinflusses und dessen Kompensation für die Verarbeitung von ε-Caprolactam zur präziseren Definition der Prozessparameter und Prozessfenster im T-RTM-Prozess. Die Einfüllzeit der Matrixkomponenten, Trocknungszeit der Glasfasern, Handlingszeit der Glasfaserhalbzeuge vom Ofen bis ins Werkzeug und Injektionszeit werden anhand der ermittelten Ergebnisse abgeleitet. Es kann gezeigt werden, dass Glasfasern mit entsprechendem Sizing eine sehr geringe Feuchtebeladung besitzen und dadurch eine geringe Rolle bei der Beeinflussung der anionischen Polymerisation spielen. Die Hygroskopie der Matrixkomponenten verursacht eine schnelle Feuchtebeladung während der Einfüllzeit. Deshalb ist die Definition der maximalen Einfüllzeit ein wesentlicher Parameter bei der Realisierung eines reproduzierbaren T-RTM-Prozesses.

The production of thermoplastic fibre composites using the T-RTM-process has been demonstrated in recent years within the framework of research and development projects. The use of the reactive, low-viscosity monomer melt enables the infiltration of semi-finished fibre products, but is very sensitive to external influences. One of the major influencing factors is water, which comes into contact with the materials to be processed in the form of humidity. The water molecules introduced during processing reduce the reactivity of the monomer melt. A reproducible production is not possible without taking into account and compensating the influence of water.
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The aim of this work is first to quantify the water influence on the anionic polymerization of ε-caprolactam. First, the theoretical water influence is calculated using the chemical reaction equa-tions to determine the magnitude of the influence. The subsequent characterization of the water absorption of the matrix components and glass fiber semi-finished products provides information about the sorption behavior of the materials and their maximum moisture load.
An existing reaction kinetics model and a viscosity model will be extended in the first part of the work so that the kinetics and the viscosity curve can be calculated as a function of the number of activator and catalyst molecules present in the melt. In the context of this work a possibility is shown to compensate the influence of water by adding activator and catalyst. The determination of the reaction ratio of water molecule to activator or catalyst molecule is essential for a compensation of the water. This compensation offers the advantage of binding water already present in the material so that the original reaction kinetics can be restored.
In the second part of this thesis the influence of water on anionic polymerization in the T-RTM-process is investigated. The analysis of the pressure curve in the cavity during polymerization shows that the pressure curve can be used as an indicator for the polymerization process. Subse-quently, the influence of water addition and compensation is determined based on the physical (residual monomer content, molecular weight) and mechanical properties (tensile and flexural properties) of the polymerized aPA 6 and glass fiber reinforced samples. Furthermore, the me-chanical properties of unreinforced and reinforced plates are characterized after compensation of the water influence. It can be shown that the stiffness and strength after the first compensation of the water are in the range of the properties of the reference samples.
This work contributes to the understanding of the water influence and its compensation for the processing of ε-caprolactam for a more precise definition of the process parameters and process windows in the T-RTM-process. The filling time of the matrix components, drying time of the glass fibers, handling time of the semi-finished glass fiber products from the oven to the mold and injection time are derived from the results obtained. It can be shown that glass fibres with adequate sizing have a very low moisture load and thus play a minor role in influencing anionic polymerisation. The hygroscopy of the matrix components causes a rapid moisture load during the processing time. Therefore, the definition of the maximum processing time is an essential factor in the realization of a robust T-RTM-process.