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Herstellung und Charakterisierung von Verbundwerkstoffen mit Hochleistungsfasern aus Polyethylen

D. Bettge, April 1991

Aufgabenstellung

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Faserverbundwerkstoffe mit Fasern aus gelgesponnem hochverstreckten UHMWPE (Ultra-High Molecular Weight Polyethylen) hergestellt und ihre Eigenschaften untersucht werden. Dazu müssen geeignete Herstellungsverfahren gefunden bzw. entwickelt werden. Als Matrixwerkstoffe kommen Duromere, aber auch niedrigschmelzende Thermoplaste wie LDPE in Frage. Es soll untersucht werde, welche Eigenschaften derartige Verbunde besitzen, was sie leisten können und welche Vor- und Nachteile sie gegenüber den schon bekannten Verbundwerkstoffen mit z.B. Kohlenstoff- oder Glasfasern haben könnten.

Zusammenfassung

Es ist gelungen, Verbunde aus GSPE mit hohen Fasergehalten von bis zu 70 % in befriedigender Qualität quasikontinuierlich und kontinuierlich herzustellen. Die von der Scherfestigkeit der Faser-Matrix-Grenzfläche abhängenden Eigenschaften dieser Verbunde wie z.B. die Scherfestigkeit ließen sich durch Vorbehandlung der Fasern mit Sauerstoff-ND-Plasma deutlich steigern, ohne die Zugfestigkeit zu beeinflussen. Diese erreicht bei den Verbunden mit plasmabehandelten Fasern die theoretischen Werte.

Die Herstellung von Verbunden mit LDPE-Matrix im Film-Stacking-Verfahren gelang ebenfalls. Große Schwierigkeiten bereitete jedoch die Imprägnierung der Fasern mit LDPE bei den unvermeidlich nierdrigen Herstellungstemperaturen bis maximal 150 °C. Auch hier ließ sich die Querfestigkeit der Verbunde durch eine Plasmabehandlung um bis zu 70 % steigern, wenn kurze Liegezeiten nach der Plasmabehandlung eingehalten wurden.

Trotz der positiven Wirkung der Vorbehandlung mit Sauerstoffplasma bleiben die Werte der Scherfestigkeit der hergestellten Verbunde deutlich unter denen, die mit Kohle- oder Glasfasern erreicht werden können. Insbesondere die Verbunde mit LDPE-Matrix müssen als Anfang einer interessanten Entwicklung betrachtet werden. Sicherlich lässt sich die Herstellung solcher Verbunde durch die Verwendung von Matric-Polymeren mit noch nierdrigeren Schmelztemperaturen verbessern, nur stellt sich dann die Frage, ob die resultierenden Composites nicht schon bei gemäßigten Temperaturen relativ weich sind.