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Faserverbundbauteile werden durch Tränkung von Fasergewebe mit flüssigem Harz, in der Regel Epoxidharzen, und anschließender Härtung des Harzes gefertigt. Dabei kann man das Gewebe im Vorfeld mit reaktivem Harz tränken und als so genanntes Prepreg verarbeiten oder man injiziert das frisch mit dem Härter gemischte Harz in ein Werkzeug, in dem das Gewebe bereits liegt - z. B. beim RTM-Prozess. Ausgehend von der Aufgabenstellung, eine Prepregherstellung mit hohem Qualitätsstandard zu realisieren und Möglichkeiten der Fertigungskontrolle für den Prepreg-Verarbeiter aufzuzeigen, wurde an einem für die Prepregherstellung vorgesehenen Harzsystem eine weitgehende Charakterisierung des Aushärtungsverlaufs vorgenommen. Wegen der Schwierigkeit, schnell konstante Aushärtungstemperaturen zu erreichen, wurden bei allen Methoden mit einer Heizrate von 1 K/min von RT bis 200 °C aufgeheizt.
Rubbers are often used for seal applications due to their special material properties and easy use. In many applications the material is exposed to low temperatures during Operation. Therefore it is important to know the material behavior at low temperatures to determine the temperature ränge that allows a Safe Operation of the seal, e.g. in storage and transport Containers for radioactive materials.
The seal function of an elastomer is limited in temperature by the rubber-glass transition during which the material properties change from rubber-like to stiff and glass-like. For a given application this correlation is not trivial and therefore needs an in-depth investigation under consideration of the physical properties and the
application conditions.
In this work different analytical methods are used to characterize the material behavior at low temperature in the ränge of the glass-rubber-transition and are compared with the quality of Operation of a component which is here defined by the detected leakage rate.
Carbon fibre prepregs have found widespread application in lightweight constructions. They are based on a carbon fibre fabric impregnated with reactive epoxy resin. Measurements were carried out using commercially available prepreg material. For Dynamic Mechanical Analysis (DMA), a single cantilever measuring device was applied. The DMA results were refined by additional DSC measurements. The measurements were carried out with dynamic heating in the temperature range -90 to 280 °C. The heating rates were 1 and 2 K/min, respectively. A glass transition of the uncured material (Tg0) near 1 °C, and crosslinking-induced vitrification and devitrification at the maximal glass transition temperature of the cured material (Tgmax) in the temperature range 220 to 230 °C were found. The activation energies for the glass transitions were determined using an Arrhenius plot. By detailed consideration of the influence of the frequency on the DMA data, indications for gelation were deduced.
EVA is a widely used material for the encapsulation of photovoltaic modules. It melts at elevated temperatures, and seals the module before it is crosslinked at temperatures above 130 °C by a peroxide-initiated crosslinking reaction. EVA has good optical properties necessary for application in solar modules. For process optimization and quality management, a method for the quick and reliable characterization of EVA crosslinking behaviour is of great value. Here, the practicability of ultrasound for online crosslinking monitoring is demonstrated. A sound velocity increase of about 8 m/s during the crosslinking reaction is found. The ultrasound results are compared with rheometer measurements performed with a curemeter typically used for the investigation of rubber crosslinking.
Einfluss hoher Temperaturen und Drücke auf die Ultraschalleigenschaften eines Komposit-Prüfkopfes
(2004)
A stoichiometric amineepoxy formulation was cured in the presence of a thermoplastic, namely poly(vinylpyrrolidone) (PVP). The epoxy system consisted of the resin diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) and the aromatic curing agent 4,4'-diaminodiphenylsulfone (DDS). As shown for this system in a former study by Oyama et al. [Oyama HT, Lesko JJ, Wightman JP. J Polym Sci B 1997;35:33146. [36]], preferential absorption of amine molecules by PVP can occur. In the present study, the focus is on the variations of local elastic properties within the epoxy interphase adjacent to the PVP layer. The curing was performed close to the glass transition temperature, Tα, of the PVP film, namely at 170 °C. Variations of the local amine concentration were tracked using energy-dispersive analysis of X-rays (EDX), by taking benefit of the sulfur contained in DDS. Using temperature-dependent dynamic mechanical analysis (DMA), a series of epoxy reference samples of different amineepoxy concentration ratios, r, was investigated in order to work out the relationship between r and the epoxy storage modulus at room temperature. In the excess-epoxy regime, r<1, the modulus is observed to increase with departure from the stoichiometric ratio, r=1. Considering the respective suppression of the ß-transition, the observed characteristic can be explained by an antiplasticisation effect. Depth-sensing indentation (DSI) experiments across the epoxy/PVP interphase provided evidence for strong modulus variations. In consistency with the EDX and the DMA data, in the vicinity of the PVP layer the local epoxy modulus is increased. The total change of the epoxy Young's modulus is ~1.1 GPa. However, the total width of the modulus decay of ~175 µm is ~2.5 times larger than the one of the DDS concentration gradient. This finding is discussed in terms of additional spatial variations of the DGEBA concentration as well as long-range diffusion currents of DDS induced by the interdiffusion processes and their effect on the final network of crosslinks.
Two different approaches to investigate the local complex conductivity and the surface charge with Scanning Force Microscopy (SFM) techniques are presented. It is shown that the measurement of local electrical properties with SFM leads to interesting information about the composition of electrically heterogeneous surfaces
With an extended contact and non-contact mode scanning force microscope samples with different heterogeneous electrical properties can be characterized. The contact mode method allows the determination of local electric conductivities of heterogeneous systems at the sample surfaces. An interpretation of this behaviour can be obtained in combination with other SFM modes such as topography, friction and compliance used simultaneously. The non-contact mode SFM allows to get more information about the local surface charge of heterogeneous samples. In this paper two new SFM approaches will be discussed on examples of carbon-fibre reinforced, organic and ceramic materials
Investigation of curing of epoxy resin composite materials by dynamic mechanical analysis (DMA)
(2006)
Making Cure Visible
(2005)
"Sehende" Nachtemperung: Praktische Anwendung der Methode der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA)
(2005)
The prospects of modern thermoanalytical methods for characterisation
of flow, curing and final mechanical behaviour of
moulding compounds were demonstrated. Using urea resin
moulding compounds from different manufacturers the possibilities
of the various techniques could be shown. With comparatively
low effort, fundamental information can be gained
before production process had been started. On this basis it is
possible to make appropriate material selection at an early
point in the process chain. On the basis of thermoanalytical
data an incoming goods inspection can be established. Also it
is easy to control the compliance with the conditions of delivery.
In some cases it could also be helpful to have stored analysis
data especially when problems appear in manufacturing
process or unexpected part damages occur
With the ultrasound measuring system it is possible to transfer
the findings from the analytical methods directly to the processes
in the mould. The application of ultrasound provides
Dynamic Mechanical Analysis in the mould. Beside quality
assurance ultrasound can also be used for process optimisation,
especially for reduction of cycle time. In an advanced form
ultrasound information can be used as a basis for improved
machine control based on material state. The ultrasound measuring
system developed by ISK Iserlohn and BAM can be
obtained from the ISK.
Carbon-fibre prepregs have found widespread use in lightweight applications. They are based on a carbon-fibre fabric impregnated with reactive epoxy resin. Prepreg materials are generally pre-cured so that they have a higher molecular weight than typical resins in order to reduce resin flow, which facilitates storage and later processing properties.
The measurements were carried out using commercially available materials and follow the published DMA investigations of the same material. TMDSC was used to find the correlation between curing conditions, the degree of cure and glass transition temperature. TMDSC has the advantage over standard DSC that it enables better determination of the glass transition temperature, which is often accompanied by an exothermic curing reaction, and thus overshadowed. The influence of the amplitude of temperature modulation was tested in preliminary experiments. For non-cured material a glass transition temperature of approximately 0 °C was determined; whereas for the totally cured material it was approximately 230 °C. The changes in degree of cure, temperature of actual glass transition and post-reaction are given as a function of curing time at 180 °C. The correlation between actual glass transition temperature and degree of cure is derived.
Elastomere werden vielfach als Dichtungsmaterial für verschiedene Anwendungen eingesetzt.
In vielen Bereichen ist die Funktion der Dichtung auch bei tiefen Temperaturen erforderlich. Daher ist das Verständnis des Versagensmechanismus von großer Bedeutung.
Normalerweise werden Elastomere oberhalb ihres Glass-Gummi Umwandlungsbereiches eingesetzt, wobei die minimale Einsatztemperatur nicht exakt definiert ist. Daher ist es sinnvoll, diese untere Temperatureinsatzgrenze in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften zu bestimmen. Hierfür werden die Ergebnisse der thermischen Analyse mit den Resultaten des Druckverformungsrests aus einer abgewandelten Messung mit der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) kombiniert.
Weiterhin werden Ergebnisse von Bauteilversuchen vorgestellt und diskutiert.
Die vorgestellten Untersuchungen wurden zum großen Teil auf Untersuchungen im Rahmen der Dissertation von M. Jaunich durchgeführt.
Für Elastomenwerkstoffe im Allgemeinen und im Bereich der Dichtungstechnik im Besonderen ist der Druckverformungsrest eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Eignung eines Werkstoffs bzw. der Funktion eines Bauteils. Er ermöglicht eine Einschätzung des zeitabhängigen Rückstellverhaltens eines Werkstoffs nach Deformation. Dieses ist für Dichtungen von besonderer Bedeutung, da der Test deren Einbauzustand nachstellt.
Oft wird er, bei der Prüfung unter erhöhten Temperaturen, zur Beurteilung des Alterungsverhaltens verwendet und kann anhand eines definierten Versagenskriteriums zur Lebensdauerabschätzung eingesetzt werden. Bei tiefen Temperaturen dient er dazu, die limitierende Einsatztemperatur zu bestimmen. Dabei spielt eine Alterung im eigentlichen Sinne nur eine untergeordnete Rolle, wohl aber physikalische Effekte wie Tieftemperaturkristallisation und Glasübergang. Diese Effekte sind weit weniger durch lange Lagerzeiten beeinflusst als die eigentliche Alterung.
Die Versuchsdurchführung unterscheidet sich je nach angewandter Norm und kann einen deutlichen Einfluss auf den Druckverformungsrest haben. Alle standardisierten Methoden sind aufgrund der langen Lagerzeiten relativ langwierig und erfordern das regelmäßige Eingreifen durch den Prüfer. Zusätzlich sehen einige Methoden nur die Bestimmung eines einzelnen Wertes nach einer definierten Zeit vor.
Um die Messungen zu beschleunigen wurde eine Methode entwickelt, die automatisch die erforderlichen Messungen bei mehreren Temperaturen durchführt.
Dazu wird ein Prüfgerät der Dynamisch Mechanischen Analyse verwendet, das kontinuierlich die Deformation während eines frei programmierbaren Temperaturzyklus misst, wodurch eine sehr große Datenmenge verfügbar ist.
Ein Vergleich der neuen Methode mit den Ergebnissen des nach ISO 815 genormten Messprinzips ergibt eine gute Übereinstimmung. Ergebnisse der neuen Methode werden vorgestellt und die Vorzüge der kontinuierlichen Datenerfassung, z.B. für die Materialauswahl, diskutiert.
Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich zum großen Teil auf die in beschriebenen Untersuchungen und Ergebnisse.
Aufgrund ihrer einfachen und zuverlässigen Anwendung werden Elastomere für viele Dichtungsaufgaben eingesetzt. In vielen Anwendungsbereichen, wie z.B. Verkehr, Luftfahrt und Verfahrenstechnik, können während des Einsatzes tiefe Temperaturen auftreten, bei denen die Funktionsfähigkeit der Dichtung erhalten bleiben muss. Daher ist die Untersuchung des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wichtig, um ihren Temperatureinsatzbereich nach unten abzugrenzen und dadurch einen verlässlichen Betrieb zu sichern. Ziel dieser Arbeit ist es, den sicheren Einschluss von gefährlichen Gütern unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und über lange Zeiten zu ermöglichen bzw. die Materialauswahl entsprechend zu steuern.
Harnstoff-Formmassen gehören zu den duroplastischen Formmassen, die im Werkzeug chemisch vernetzen und so ihre herausragende Temperaturbeständigkeit erreichen.
Im Wettbewerb mit Thermoplasten weisen Formmassen den Nachteil auf, dass die Vernetzungsreaktion eine kritische Zeit bedingt, damit die Glasübergangstemperatur soweit verschoben werden kann, dass die heißen Teile stabil und blasenfrei entformt werden können. Die Zykluszeiten sind bei Formmassen daher deutlich höher als bei Thermoplasten.
Eine Möglichkeit, die Zykluszeit zu verringern, wäre die Erhöhung der Werkzeugtemperatur, da bekanntlich eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 K zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit führt.
Allerdings wird dabei das Zeitfenster für die Entformung optimal gehärteter Teile deutlich kleiner, der Prozess anfälliger gegen Schwankungen im Prozess und in der Formmasse-Zusammensetzung. Mit einer Online-Kontrolle des Vernetzungszustands sollte es aber gelingen, den Prozess auch bei einer höheren Werkzeugtemperatur noch stabil zu beherrschen. In der vorliegenden Arbeit wird die Methode der dielektrischen Prozesskontrolle in der Fertigung von Spritzgieß-Formteilen erprobt und die Möglichkeiten einer Prozesssteuerung werden herausgearbeitet.
Die Messung des dynamischen Speichermoduls mit der Dynamisch-Mechanischen-Analyse ermöglicht einen schnellen Überblick über das temperaturabhängige Verhalten von elastomeren Dichtungsmaterialien. Ein direkter Rückschluss von der so ermittelten Glasübergangstemperatur Tg auf die Versagenstemperatur einer Dichtung ist aber ohne zusätzliche Messungen bisher nicht möglich.
Mit den Ergebnissen des Druckverformungsrestes DVR und des DVRDMA ist eine ge-nauere Beschreibung der Tieftemperatureigenschaften und dadurch der Funktion von elastomeren Dichtungsmaterialien möglich. Messungen ergeben beispielsweise, dass sich das EPDM bei einer Temperatur von -40 °C laut der Dynamisch Mechanischen Analyse noch im gummielastischen Bereich befindet. Die DVRDMA-Werte zeigen eine Rückstellung um mehr als 40 % der Ausgangsdeformation in wenigen Minuten.
Mit derart detailliert bestimmten Eigenschaften lassen sich Rückschlüsse auf einsatzspezifische Anforderungen wie z. B. die Dichtwirkung in Abhängigkeit von Betriebstemperatur und mechanischer Belastungsgeschwindigkeit ziehen, so dass je nach Einsatzbedingungen für die Dichtungen eine geeignete Materialauswahl getrof-fen werden kann.