Improving the fire resistance of carbon fiber reinforced plastics using thermoplastic interlayers

Das Verhalten von Faserverbundwerkstoffen auf Polymerbasis im Brandfall ist aufgrund ihrer organischen Matrix ein zentrales Thema in der Werkstoffentwicklung. Um unter Hitzeeinwirkung Flammbildung zu verhindern, den Brand einzudämmen oder zu löschen, werden den meisten Werkstoffen Flammschutzmittel (FSM) hinzugefügt. Gängige FSM haben jedoch einen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Trägermaterials und dessen Eigenschaften. Dazu zählen die Erhöhung der Harzviskosität, Versprödung der Matrix oder die Freisetzung toxischer Stoffe im Brandfall. Ein zentrales Thema der aktuellen Entwicklung faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist der Wechsel von Prepreg- hin zu Infusionsprozessen. Dabei spielt der Einfluss auf die Verarbeitbarkeit eine besondere Rolle, da viele FSM im Infusionsprozess aufgrund der Erhöhung der Harzviskosität, Agglomeration oder Filtereffekten nicht verarbeitet werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, strukturelle Faserverbundwerkstoffe mithilfe eines Multi-Lagen-Aufbaus im Brandfall vor der Hitzeeinwirkung zu schützen, ohne die Bauteileigenschaften im Normalbetrieb zu beeinträchtigen. Dabei wurde der Ansatz verfolgt, in carbonfaserverstärkte Laminate auf Epoxidbasis Lagen aus Hochleistungsthermoplasten einzubringen, die im Brandfall als Intumeszenz- bzw. Barriereschicht dienen. Zur Evaluierung der Materialien wurden neben der Bestimmung des Brandverhaltens mittels Cone Kalorimetrie zusätzlich in der Luftfahrt zulassungsrelevante Prüfverfahren zur Bestimmung der Brennbarkeit, Flammausbreitung und der Freisetzung von Wärme, Rauch und toxischer Stoffe durchgeführt. Zusätzlich wurde die für den strukturellen Bereich wichtige Feuerbeständigkeit untersucht und kritische mechanische Größen, wie die interlaminaren Eigenschaften, Druckfestigkeit und die Impakt-Toleranz bestimmt. Darüber hinaus wurde die Beständigkeit des Materials gegenüber luftfahrtrelevanten Medien untersucht. Neben der Materialcharakterisierung wurden die Mechanismen untersucht, die im Brandfall im Material ablaufen, um mit dem daraus resultierenden Verständnis das Material gezielt optimieren zu können. In diesem Zusammenhang wurde u.a. das Brandverhalten in Abhängigkeit von der Beaufschlagungstemperatur, Probendicke, Probenfeuchtigkeit und von mechanischen Schäden bestimmt. Außerdem wurden die freigesetzten Pyrolysegase und die Änderung der thermischen Eigenschaften des Materials betrachtet. Mithilfe modifizierter Cone Kalorimeter-Messungen wurde darüber hinaus die Temperaturverteilung und die Zersetzung des Materials über den Probenquerschnitt während der Messung beobachtet. Durch den Einfluss der Modifizierung auf die Verarbeitbarkeit, speziell im hier verwendeten Infusionsverfahren, wurde neben der Materialentwicklung auch der Verarbeitungsprozess betrachtet und angepasst. Ein Beispiel hierfür ist die Anpassung der Infusionstemperatur an die Löslichkeit der Thermoplaste im Harzsystem. Die Arbeit zeigt, dass thermoplastische Zwischenlagen im Brandfall durch Intumeszenz bzw. Barriereeffekte das darunterliegende Material schützen. Dadurch wird die Restfestigkeit und die Zeit bis zum Versagen des Bauteils erhöht. Zudem wirken die Lagen zähmodifizierend und verbessern die mechanischen Eigenschaften im Normalbetrieb. Zusätzlich können die Lagen als Träger für zusätzliche Modifikatoren dienen.The behavior in case of fire is an important issue in the development of polymer based fiber reinforced composites. For improving the material properties concerning flammability, burning behavior and fire resistance, the materials are modified with flame retardants (FSM). However, common FSM have an influence on the processability and the properties of the material they are mixed in. This includes increasing the resin viscosity, embrittlement of the matrix and the release of toxic substances in case of fire. One focus of the current development of fiber reinforced composites is the change from prepregging to infusion processing. An important issue in this topic is the influence of the FSM on the processing, because many FSM are not processible by infusion due to increase of the resin viscosity, agglomeration or filter effects. The aim of this study is to develop a new method of fire protection for carbon fiber reinforced composites which is manufactured using the infusion process and is applied in aeronautic structures without a detraction of the processing and the material properties under operational conditions. In this approach, thermoplastic (TP) interlayers were used in a multi-layered laminate (MLL) as barrier and/or intumescent layers to protect the material below from the heat impact. Besides the characterization using the cone calorimeter, testing methods in accordance to the aeronautic regulation and specification were used to evaluate the MLL regarding flammability, flame spread and the release of heat, smoke and toxic gases. In addition, fire resistance, the most critical mechanical properties and the resistance against common aeronautic media were measured. Additional to the characterization, the mechanisms under heat impact were studied. The resulting understanding of the behavior in case of fire was used as basis for a systematic optimization of the MLL. For this purpose, the burning behavior was measured, depending on the heat impact, sample thickness, moisture and mechanical damage. Furthermore, the released gases and the change of the thermal properties were measured. Modified cone calorimetry measurements were used to analyze the temperature distribution and the degradation of the material through the sample thickness. Due to the influence of the modifications on the processability of the materials in the used infusion process, also process development was part of the work. One example is the adjustment of the processing temperature due to the solubility of the TP in the matrix resin. This study shows that the interlayers protect the material below by building an intumescent and/or protective layer in case of fire. This effect increases the residual strength and the time to failure. Additionally, the interlayers increase the mechanical properties of the material under operational conditions by toughening the matrix resin. Furthermore, the interlayers can be used as carrier for additives for a selective and well defined modification of the laminate