Development of high-performance thermoplastic composite laminates: : The role of interfacial adhesion

Abstract

Thermoplastische Composite Laminate weisen neben ihrer hervorragenden Recyclingfähigkeit ein außerordentlich interessantes Performancespektrum auf, um mit herkömmlichen duroplastischen Composites oder metallischen Werkstoffen zu konkurrieren. Da die Materialentwicklung in diesem Bereich größtenteils durch Großkonzerne angetrieben wird und hinter verschlossenen Türen stattfindet, besteht für universitäre Forscher wenig Möglichkeit einen Blick hinter die Kulissen zu werfen. Insbesondere unterliegt das Wissen über Fasermodifizierungen zur Verbesserung der Grenzflächenhaftung derartiger Materialienbesonderer Geheimhaltung. Da das Eigenschaftsspektrum von gewebebasierten thermoplastischen Composites auf Basis von Glasfaser (GF)- und Carbonfaserverstärkung (CF) bislang noch nicht systematisch erforscht wurde, bietet diese Forschungsarbeit einen praxisorientierten Einblick in die Composite Materialentwicklung.GF-basierte Laminate wurden in Kombination mit Polypropylen (PP), Polyamid 6 (PA6) und Polyphenylensulfid (PPS) Matrizes im Heißpressverfahren hergestellt. Innerhalb der Faser-Matrix Kompatibilitätsstudien wurden Aminopropyltriethoxysilan (A-1100) und Chrom (III) Methacrylat (Volan® A) als äußerst potente Haftvermittler für die zuvor genannten Matrizes ausfindig gemacht. PP wurde zusätzlich mit einem Matrixseitigem Haftvermittler auf Basis von Maleinsäureanhydrid gepfropftem PP (MAH-g-PP) modifiziert. Innerhalb einer Konzentration von 0.04-0.06% MAH wurden bei GF-PP Laminaten Biegefestigkeiten von400 MPa verzeichnet. Hingegen, mussten PA6 und PPS Matrizes nicht weiter modifiziert werden. Die Homopolymere wiesen eine außerordentlich hohe Affinität zu den Faserseitig aufgebrachten Haftvermittlern auf. Die ermittelten Biegefestigkeiten von GF-PA6 Laminaten mit einem Faservolumengehalt von 47% betrugen 500 MPa; bei GF-PPS wurden über 700 MPa bei einem Faservolumengehalt von 56% ermittelt. Die Kenntnis der hohen Kompatibilität bestimmter Haftvermittler mit bestimmten Thermoplasten ist eine wichtige Grundlage für künftige GF Materialentwicklungen.CF-basierte Laminate wurden in Kombination mit PA6, Polycarbonat (PC), PPS und Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf eine optimierte Grenzflächenhaftung zwischen CF und Thermoplastmatrix gelegt. Da kommerzielle CF Gewebe beinahe ausschließlich für Epoxidharzanwendungen mit Epoxidharz basierenden Schlichten ausgerüstet werden, wurde ein erfolgsversprechender Ansatz mittels thermischer Entschlichtung und Oxidation der CF Gewebe gefunden. Mittels entschlichteter CF Gewebe wurde eine hervorragende Benetzbarkeit durch die thermoplastischen Matrizes erreicht und dadurch Laminateigenschaften auf höchstem Industrieniveau verzeichnet. Zuletzt wurde das Thema des Laminatrecyclings näher beleuchtet. Durch einen innovativen Ansatz wurde Schreddergut als Kernschicht zwischen zwei dünnen Laminatdecklageneingebracht und heiß verpresst. Derartige „Micro-sandwiches" mit 50% recyclingmaterialwiesen Biege- und Schlageigenschaften auf dem Niveau von Neumaterialien auf. Eine weitere vielversprechende Idee um die Wiederaufschmelzbarkeit der thermoplastischen Matrixauszunutzen, wurde mittels Rückverformung von Thermogeformten Bauteilen verfolgt. Die Rückverformung von Bauteilen zu wiederverwendbarer Plattenware mit dem gleichzeitigen Erhalt der mechanischen Eigenschaften wurde als äußerst vielversprechende Methode für die industrielle Produktion bewertet. Zusammenfassend, wurden thermoplastische Composite Laminate mit einem breiten Anwendungsfeld erforscht und Maßnahmen präsentiert, um die höchsten mechanischen Eigenschaften von Neuware sowie Abfallprodukten zu generieren.

Thermoplastic composites with continuous fibre reinforcements are undoubtedly the nextgeneration of lightweight high-performance materials. Thermoplastic matrices offer the muchrequiredproperty of simple recyclability and unprecedented material performance - ifengineered sufficiently well. Since the thermoplastic composite manufacturing process is arelatively new field of expertise, a lot of knowledge gaps still need to be filled. Especially withregard to material performance optimisation by means of fibre and/or matrix interfacialmodification.Within this study, multiple material combinations including standard-, engineering- and highperformancethermoplastics have been combined with fibrous reinforcements based on wovenglass (GF) - and carbon fibre (CF) fabrics via hot compression moulding.In the case of GF reinforcements, surface treatments containing adhesion promoters wereemployed for fibre-matrix compatibilisation with polypropylene (PP), polyamide 6 (PA6) andpolyphenylene sulphide (PPS). Among the adhesion promoters tested, ́-aminopropyltriethoxysilane (A-1100) and chromium (III) methacrylate complex (Volan® A)were identified as key candidates, yielding exceptional material performance. Due to its nonpolarnature, PP required additional modification with a coupling agent. For this matter, PP wasmodified with maleic anhydride grafted PP (MAH-g-PP). Within a concentration range of 0.04-0.06% MAH, the strength characteristics of the GF-PP composite could be harnessedmaximally, close to 400 MPa at a fibre volume fraction of 50%. In the case of PA6 and PPS,neat (unmodified) matrices sufficed for optimal interfacial bonding and laminate properties.GF-PA6 laminates resulted in flexural strengths in the region of 500 MPa and fibre volumefractions of 47%, whereas the best performing GF-PPS laminates offered flexural strengthsbeyond 700 MPa at fibre volume fractions of 56%. The determined multicompatibility of theadhesion promoters A-1100 and Volan® A with thermoplastics was deemed a promisingoutlook for material developments in this area.The approach taken for CF compatibilisation with thermoplastics was fundamentally differentto GF-thermoplastics compatibilisation. Commercially available CF reinforcements are almostalways coated with epoxy-based formulations that are generally incompatible withthermoplastics. Therefore, methods were investigated to remove the incompatible epoxycoating and expose the pristine carbon surface. Due to coating removal at 400 °C it was inferredthat additional functional groups were introduced to the carbon surface, providing interfacialcompatibility with thermoplastics. In fact, epoxy coating removal was so successful in promoting interfacial adhesion, that subsequently moulded CF-PA6, CF-polycarbonate (PC),CF-PPS and CF-polyetheretherketone (PEEK) laminates offered material performance close tothat of automotive and aerospace grade reference materials. At fibre volume fractions of 44-46% CF-PA6, CF-PC, CF-PPS and CF-PEEK laminates offered 600 MPa, 720 MPa, 830 MPaand 845 MPa flexural strength, respectively. Besides wetting, mechanical keying (interlocking)was determined as an important mechanism for interfacial adhesion by SEM analyses. Theobservations provide valuable insights for CF composite material development.Finally, the recyclability of thermoplastic composites was investigated by the example of GFPPand CF-PA6 laminates. Two recycling approaches were found highly promising. Shreddedcomposite material was co-moulded as a core layer between two continuous fibre skins,replacing 50% of the materials volume by recyclate. The flexural and impact properties werelargely unaffected by this measure and offered similar performance than their virgin materialcounterparts. Another idea was investigated by directly reshaping thermoformed parts into flatblanks for reuse. Likewise, the mechanical properties of the reshaped flat blanks weremaintained. Both ideas present viable methods and potential solutions to either bring alternativeproducts to the market, or reduce rejected parts.