Faserverstärkte Kunststoffe
Kontaktwinkel und Oberflächenspannung zur Optimierung der Benetzung und Haftung zwischen Faser und Matrixkunststoff
Eingebettete Glas-, Mineral- oder Karbonfasern verleihen Kunststoffen neue Eigenschaften wie zum Beispiel hohe Zug- und Bruchfestigkeit oder Leitfähigkeit bei zugleich geringer Dichte. Dank der flexiblen Materialgestaltung werden immer neue Einsatzgebiete für faserverstärkte Polymere erschlossen.
Die Fasereinbettung ist oft eine Herausforderung für die Grenzflächenchemie, weil viele Fasern auf schlechte Benetzungseigenschaften der Kunststoffschmelzen oder Aushärtungsmassen treffen. Messungen des Kontaktwinkels an Einzelfasern oder Faserbündeln sowie die Oberflächencharakterisierung des Matrixkunststoffs ermöglichen eine zielgerichtete Optimierung der Faserbeschichtung und -einbettung.
Typische Einsatzgebiete faserverstärkter Kunststoffe
- Automobil- und Flugzeugbau
- Sportgeräte
- Leiterplatten
- Kunstholz
- Leichtbau in Bauwerken
Kontaktwinkelmessungen für die Faserbeschichtung und -einbettung
Vor der Einbettung in die Kunststoffmatrix wird die Faser häufig vorbeschichtet, und zwar meist mit einem dem Zielkunststoff ähnlichen Material. Zum Beispiel erhalten Karbonfasern oft einen Epoxidharzüberzug, bevor sie in eine Epoxidmatrix eingebunden werden. Dabei entstehen zwischen Faser und Coating und zwischen Coating und Zielmatrix neue Grenzflächen. Diese können anhand des Kontaktwinkels mit einem Force Tensiometer schrittweise untersucht werden.
Unser Force Tensiometer erfasst die Faserbenetzbarkeit anhand des Kontaktwinkels. Dazu erfasst es präzise Messwerte für die Benetzungskräfte an den Fasern. Eine Qualitätsprüfung kann so mit Hilfe unserer Messtechnik bereits sehr früh erfolgen, nämlich bevor die Fasern für die Einbettung zu Bündeln geflochten werden. Auch die spätere Überprüfung der Bündel und selbst heterogener Faserverbände kann mit Hilfe unserer Instrumente und der Washburn-Methode untersucht werden.
Untersuchung der Haftung und Langzeitstabilität
Neben der Anfangsbenetzbarkeit ist vor allem die erzielte Haftung zwischen Faser und Matrixkunststoff von Interesse. Diese kann durch getrennte Messung der freien Oberflächenenergie der Faser und der Oberflächenspannung der Aushärtungsmasse berechnet werden. Für die Einbettung in thermoplastische Kunststoffe sind auch Untersuchungen von Polymerschmelzen möglich.
Die Grenzflächenspannung zwischen Faser und Matrix ist ein weiteres Ergebnis der getrennten Untersuchung der Phasen. Sie ist ein Maß für die inhärente Instabilität der Verbindung und sollte möglichst gering gehalten werden, um eine stabile Einbettung zu gewährleisten.
