Interphase modification and characterisation in p-aramid/ glass fibre epoxy model composites

Wormann, Thomas; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:HT018919454

Interphase modification and characterisation in p-aramid/ glass fibre epoxy model composites = Grenzschichtmodifizierung und Charakterisierung in p-Aramid-/Glasfaser Epoxid-Verbundwerkstoffen

Wormann, Thomas

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Thomas Wormann aus Troisdorf, Deutschland

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online Ressource (VIII, 136 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor) ; Pich, Andrij (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-03-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-019749
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571312/files/571312.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571312/files/571312.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; p-aramid fibre (frei) ; fibre matrix adhesion (frei) ; interphase (frei) ; composite (frei) ; single fibre fragmentation test (frei) ; bundle pull-out test (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Wege zur Oberflächenmodifikation an Glas- und p-Aramidfasern untersucht und deren Auswirkungen auf die Haftung zwischen Verstärkungsfasern und Epoxidharz als Matrixmaterial mit Hilfe mechanischer Testverfahren beurteilt. Der Einzelfaserfragmentierungstest (EFFT), ein weit verbreitetes mikromechanisches Testverfahren, wurde weiterentwickelt, um eine möglichst genaue Charakterisierung der Grenzschichten in faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu realisieren. Eine videobasierte Analysemethode ermöglicht eine direkte Verfolgung des Fragmentierungsprozesses der eingebetteten Verstärkungsfaser während des EFFT, wodurch sich Rückschlüsse auf die Kraftübertragung von Matrix auf Faser ziehen lassen. Mit Hilfe einer weiteren eigens entwickelten Analysemethode lässt sich der getestete Probekörper unter höherer Vergrößerung in verschiedenen Belichtungsmodi abscannen und untersuchen. Dieses Vorgehen ermöglicht eine genaue Identifizierung und Analyse von vorliegenden Faserbruchtypen und Grenzflächenphänomenen. Verschieden oberflächenbehandelte Glasfasern wurden mit dem weiterentwickelten EFFT untersucht und anhand der untersuchten Fragmentierungsprozesse und der beobachteten Faserbruchtypen konnten starke Einflüsse der Oberflächenbehandlungen auf die Faser-Matrix Haftung nachgewiesen werden.Zur Aktivierung der Faseroberfläche von p-Aramidfasern wurden gewaschene oder plasmabehandelte Fasern mit Polyethylenimin (PEI)-basierten Primerpolymeren in einem Dip-coating Verfahren aus wässriger Lösung ausgerüstet. Anhand von elektrokinetischen Messungen wurde das Adsorptionsverhalten der synthetisierten PEI-Derivate in Abhängigkeit von pH-Wert, Polymerkonzentration im Ausrüstungsbad, Faservorbehandlung und Quaternisierungsgrad des Primerpolymers analysiert und bewertet.Die mechanische Charakterisierung von oberflächenmodifiziertem p-Aramidfasern wurde mit Hilfe von EFFTs und Faserbündel Pull-out Tests durchgeführt. Dabei konnte das charakteristische Bruchverhalten der p-Aramidfasern veranschaulicht und als Störfaktor für eine eindeutige Auswertung des EFFT identifiziert werden. Die Ergebnisse der Faserbündel pull-out Tests spiegelten die durch die EFFTs aufgezeigte Problematik wider, konnten allerdings durch die Analyse der Bruchflächen der Probekörper einen qualitativen, visuellen Eindruck des Bruchverhaltens vermitteln und wiesen auf eine leicht verbesserte Faser-Matrix Haftung für PEI beschichtete Fasern hin im Vergleich zu gereinigten Standardfasern. In einer weiteren Versuchsreihe wurden p-Aramidfasern mit Poly(styrol-co-glycidylmethacrylat) Partikeln beschichtet mit dem Ziel die Anbindung und somit auch die Kraftübertragung zwischen Faser und Matrix zu verbessern. Die optimalen Konditionen für die Ausrüstung mit Nanopartikeln wurden anhand von Ausrüstungsversuchen mit wechselnden Konditionen und anschließender elektronenmikroskopischer Auswertung ermittelt. Ein positiver Einfluss der Nanopartikel auf die Faser-Matrix-Haftung konnte durch die mechanische Charakterisierung mittels EFFTs, Faserbündel pull-out Tests sowie Zugversuchen nachgewiesen werden.

In this thesis different approaches of surface modifications on glass and p-aramid fibres were investigated and the consequences on the adhesion between reinforcing fibres and matrix material were evaluated by means of mechanical testing methods.The single-fibre fragmentation test (SFFT) a widely used micromechanical testing method was enhanced to allow a detailed characterisation of interphases in fibre-reinforced composites. A video based analysing method of the SFFT enables a direct monitoring of the fragmentation process of the embedded fibre. This permits to draw conclusions about the load transmission between matrix and fibre. With a second developed analysing method scanning and examination of a tested specimen at high magnification in different illumination modes is facilitated. This approach allows an exact identification and analysis of fibre failure types and interfacial phenomena.Differently surface treated glass fibres were investigated with the SFFT and based on investigated fragmentation processes as well as observed fibre failure types strong influences of the surface treatments on fibre-matrix adhesion were proven. In order to activate the fibre surface of p-aramid fibres washed or plasma treated fibres were dip-coated with quaternised polyethylenimine (PEI)-based primer polymers in an aqueous solution. Through electrokinetical measurements the adsorption behaviour of the synthesised PEI-derivatives was investigated and evaluated depending on pH, polymer concentration in the solution, fibre pretreatment and degree of quaternisation of the primer polymer. The mechanical characterisation of surface treated p-aramid fibres was performed with SFFTs and fibre bundle pull-out (BPO) tests. These mechanical tests illustrated the characteristic fracture behaviour of p-aramid fibres and identified it as disturbing factor for a distinct evaluation of the SFFT. The results of the BPO tests reflected the problematic observations of the SFFTs. However, analysis of the fracture surfaces of tested specimens gave a qualitative, visual impression of the fracture behaviour and indicated a slightly improved fibre-matrix adhesion for PEI-coated fibres in comparison to cleaned standard fibres.In another series of experiments p-aramid fibres were coated with poly(styrene-co-glycidyl methacrylate) particles with the objective to enhance the adhesion and consequently also the load transmission between fibre and matrix. The optimal conditions for the coating procedure with nanoparticles were determined by performing coating experiments at varying conditions and subsequent electron microscopical analysis of the coated fibre material. A positive influence of the nanoparticles on fibre-matrix adhesion was demonstrated by means of SFFTs, BPO tests and tensile tests.

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