Faserschutz und Flammschutz von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharzen

Diese Arbeit liefert eine ausführliche Übersicht über die flamm- und faserschützende Wirkung unterschiedlicher Flammschutzmittel in kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharzen und untersucht dabei auch die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie Abhängigkeiten der Wirkmechanismen zueinander. Es wurde aufwändig ein Synthesekonzept neuartiger, maßgeschneiderter Flammschutzmittel ausgearbeitet, die einen effizienten Flammschutz in Reinharz und Verbundmaterial unter gleichzeitigem Schutz der Fasern vor thermooxidativem Abbau sicherstellen. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf phosphorhaltigen, polymeren Flammschutzmitteln. Im Speziellen ist die Synthese von phosphorhaltigen Polyacrylamiden mit einem breiten Edukt- und Eigenschaftsportfolio hervorzuheben, die einen niedrigen präparativen Aufwand erfordert. Da durch die Einarbeitung dieser effizienten Flammschutzmitteln in die Epoxidharzmatrix keine Fasern mit kritischen Dimensionen innerhalb realistischer Zeiten thermischer Belastung entstehen, wird die Gesundheitsgefahr durch lungengängige Faserbruchstücke beim Abbrand von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterial (CFK) erfolgreich eingedämmt. Darüber hinaus werden thermische und mechanische Eigenschaften von CFK-Bauteilen nicht negativ beeinflusst. Die Flammschutzmittel sind homogen mit der Epoxidharzmatrix mischbar, wodurch deren Verarbeitbarkeit in Injektionsverfahren erhalten bleibt. Die Möglichkeit einer Beschichtung des Werkstücks oder der Fasern zur Erfüllung eines Faserschutzes wird ebenfalls diskutiert.

This work provides a detailed overview of the flame-retardant and fiber-protecting effects of different flame retardants in carbon fiber reinforced epoxy resins. It also examines the structure-response relationships, as well as interdependencies of the different mode of actions. An elaborated synthesis concept of novel, tailor-made flame retardants was developed. These flame retardants show efficient flame retarding properties in neat resin and composite material, while at the same time protecting the fibers against thermo-oxidative degradation. Particular attention was paid to phosphorus-containing, polymeric flame retardants. Particularly noteworthy is the synthesis of phosphorus-containing polyacrylamides with a broad portfolio of starting materials and product properties. This synthesis only requires a low effort of preparation. The incorporation of these efficient flame retardants into the matrix hinders the formation of fibers with critical dimensions within realistic times of thermal stress. This contains the health risk from respirable fiber fragments, when carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is burned up. In addition, thermal and mechanical properties of CFRP components are not negatively affected. The flame retardants can be mixed homogeneously with the epoxy resin matrix, which means that the matrix can still be processed in injection processes. The possibility of coating the work piece or the fibers to achieve a fiber protection is also discussed.