Process Development and Material Characterization for the Injection Molding of Long Glass Fiber-Reinforced Phenol Formaldehyde Resins

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Verarbeitung langglasfaserverstärkter Phenolharze im Spritzgießverfahren untersucht. Es wird die Entwicklung einer neuen Spritzgießprozessvariante beschrieben, welche mithilfe einer direkten Langglasfaserzuführung die Herstellung von Bauteilen aus kurz- und lang-glasfaserverstärktem Phenol-Formaldehyd-Harz ermöglicht. Dabei sind die Anteile der kurzen und langen Verstärkungsfasern individuell einstellbar. Die Struktur und die Eigenschaften der mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile werden charakterisiert und mit denen von Bauteilen aus langglasfaserverstärkten, granulatförmigen Formmassen verglichen.
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Im Gegensatz zu thermoplastischen Polymeren stellt das duromere Phenol-harz aufgrund der irreversiblen chemischen Vernetzung bei der Verarbeitung zusätzliche Herausforderungen an die Prozessführung. Ein zentrales Entwicklungsziel dieser Arbeit ist die Abwägung zwischen der ungewünschten Faser-kürzung einerseits und der erforderlichen Homogenisierung von Fasern und Phenolharz andererseits. Die Entwicklung und die Validierung von duromer-spezifischen Mischelementen für das Spritzgießen werden vorangetrieben.

Charakterisierungsmethoden für die Faserlängenmessung und die Bewertung der Materialhomogenität werden entwickelt, validiert und auf Zwischenprodukte sowie auf spritzgegossene Bauteile angewendet. Im Zusammenspiel mit etablierten Charakterisierungstechniken wie der dynamischen Differenz-kalorimetrie, der Rheologie, der Rasterelektronenmikroskopie, der mechanischen Charakterisierung und der optischen Bewertung von Schliffbildern werden somit die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in der Spritzgießverarbeitung von lang- und kurzglasfaserverstärkten Formmassen herausgearbeitet.

Within this thesis, the processing of long glass fiber-reinforced, phenolic resins in the injection molding process is investigated. The development of a new injection molding process variant that enables the manufacturing of phenolic resin parts with an adjustable composition of short and long reinforcement glass fibers is described. The structure and the properties of parts manufactured with this process are characterized and compared to parts molded from long glass fiber-reinforced granular molding compounds, which were originally developed for compression molding applications.
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In contrast to thermoplastic polymers, the thermosetting phenolic resin poses additional processing challenges due to the irreversible chemical crosslinking which takes place during the processing. A central development objective of this thesis is balancing the undesired fiber shortening with the required homogenization of the material during the processing. The development and the validation of thermoset-specific mixing elements for the injection mold-ing are advanced.

Characterization methods for the fiber length measurement and the evaluation of the material homogeneity are developed, validated, and applied to intermediate products as well as parts manufactured in the thermoset injec-tion molding process. By using these methods in addition to well-established characterization techniques such as differential scanning calorimetry, rheology, scanning electron microscopy, mechanical characterization and cross-sectional optical micrography, the process-structure-property relations for the processing of long and short glass fiber-reinforced molding compounds are determined.