Sustainable Composieten voor Transport & Bouw toepassingen (Suscomtrab)

Het doel van het SusComTrab-project was om duurzame composietmaterialen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt in transport- en bouwtoepassingen. Een eerste doel was om composietstructuren te ontwikkelen die duurzamer zijn dan composieten op basis van glas-epoxy, maar vergelijkbare mechanische eigenschappen hebben. Bij de keuze van vezels en matrices is gezocht naar duurzaamheid, waarbij de nadruk ligt op hernieuwbaarheid, niet-toxische eigenschappen en / of recycleerbaarheid. Als alternatief voor glasvezels is gekozen voor basaltvezels, gerecycleerde koolstofvezels en vlasvezels en als alternatief voor epoxy op oliebasis is gekozen voor biogebaseerde epoxy en benzoxazineharsen als matrixsystemen. Biogebaseerde epoxycomposieten (combinatie van vlasweefsel, basaltweefsel, basaltnonwoven of basalt / gerecycleerd koolstofvlies en biogrebaseerd epoxy) werden gemaakt via RTM. Vanwege de hoge verwerkingstemperaturen was RTM niet mogelijk met het geselecteerd benzoxazinehars en daarom werden benzoxazinecomposieten gemaakt via een autoclaafproces of via thermopressing. Aangezien de uithardingstemperatuur van de benzoxazinecomposieten hoger is dan 180 ° C, kan het niet worden gebruikt in combinatie met vlasvezels. Door katalysatoren toe te voegen is het verlagen van de uithardingstemperatuur mogelijk, maar er is verder onderzoek nodig om de uithardingsschema's te optimaliseren.

Mechanische testen toonden aan dat composieten gemaakt van basaltweefsel en bio-epoxy mechanische eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met glas-epoxycomposieten wanneer viscositeitsverlagende additieven werden toegevoegd aan het bio-epoxyhars. De composieten op basis van basaltnonwoven hebben zelfs hogere mechanische eigenschappen dan de op glasvezel gebaseerde epoxycomposieten. De mechanische eigenschappen van nonwovens die gerecycleerde vezels bevatten, zijn lager in vergelijking met de niet-gerecyclede versies, maar nog steeds vergelijkbaar met op glasvezel gebaseerde epoxycomposieten op basis van nonwoven. De vlas biogebaseerde epoxy composieten hebben lagere mechanische eigenschappen dan de glas/epoxy benchmark, maar de resultaten zijn minder slecht als de modulus en sterkte van de materialen gedeeld worden door de dichtheid van de composieten. Alle op benzoxazine gebaseerde composieten (geweven en niet-geweven) hebben hogere buigeigenschappen in vergelijking met de benchmark en vergeleken met de bio-epoxy gebaseerde composieten.

Er is ook een LCA uitgevoerd om te onderzoeken of de ontwikkelde composieten duurzamer zijn dan de glasvezel/epoxy benchmark. De resultaten lieten zien dat dit inderdaad het geval is wanneer dezelfde hoeveelheden vezels en harsen worden gebruikt. Als de vezeleigenschappen van alternatieve composieten echter inferieur zijn aan die van glasvezels, moeten dikkere composieten worden gemaakt en is er dus ook meer materiaal nodig wat een negatieve invloed heeft op de LCA.

Om te onderzoeken of optimalisatie van de composieteigenschappen mogelijk is, werden enkele preliminaire testen uitgevoerd om de matrixvezelinteractie te verbeteren door de vezels te behandelen met organosilanen. Voor de benzoxazinematrix zijn enkele alternatieve organosilanen geschikt, maar ook de huidige sizing op de basaltvezel is compatibel met zowel het hars als de epoxymatrix. Verwacht werd dat behandeling van de vlasvezel zou resulteren in een betere hechting van de vezelmatrix, maar dit werd niet waargenomen en vereist wat verder onderzoek.

Omdat voor bouw- en transporttoepassingen vaak een vlamvertragende eigenschap vereist is, werd ook onderzocht of het vlamvertragend gedrag verbeterd kon worden. De biogebaseerde epoxy is als zodanig niet vlamvertragend en er zijn additieven nodig om het hars minder brandbaar te maken. Verschillende FR additieven in verschillende concentraties werden toegevoegd en de limiting oxygen index werd bepaald. De resultaten toonden aan dat vlamvertragende eigenschappen konden worden verkregen. De toevoeging van deze vlamvertragers resulteerde echter in een verhoging van de viscositeit. Dit kan worden verminderd door viscositeitsverlagers toe te voegen, maar bij het maken van composieten via RTM, werd opgemerkt dat de FR-additieven in poedervorm geen goede harsvloei toelaten. Composieten konden dus alleen worden gemaakt via hand lay-up gevolgd door vacuum bagging. Ook werd een vloeibare FR geprobeerd en dit maakt RTM mogelijk, maar het additief verlaagt ook de mechanische eigenschappen en glastransitietemperatuur (Tg) van de matrix, waardoor ook geen hoge concentraties kunnen worden gebruikt. Met de beste FR-epoxyformuleringen werden composieten gemaakt. UL94-V vlamtesten zijn uitgevoerd om het brandgedrag van de ontwikkelde composieten te onderzoeken. UL94-V-classificatie was mogelijk voor composieten bereid met het benzoxazinehars (basalt / benzoxazine) en met bio-epoxy + FR additieven (vlascomposieten, basaltvezel en nonwovens van gerecycleerde koolstofvezel). Een vlas bio-epoxy composiet werd geselecteerd als potentieel composiet voor bouwtoepassingen en het kon de screeningvlamtest voor bouwtoepassingen (ISO 11925-2) doorstaan. Er werden cone calorimeter testen (vereist voor spoorwegtoepassingen) uitgevoerd op basalt en basalt / gerecycleerde koolstofcomposieten, maar er werden geen goede resultaten behaald bij een warmteflux van 50 kW / m², waardoor deze composieten niet geschikt waren voor binnenpanelen. Bij een warmteflux van 25 kW / m² waren de resultaten goed en de rooktest bij 25 kW /m² toonde aan dat de rookdensiteit en -toxiciteit niet te hoog was.

Om te weten of de koolstof- en basaltvezels kunnen worden gerecycleerd, werden composietplaten gepyrolyseerd. De resultaten toonden aan dat vezelrecuperatie mogelijk is als de matrix geen FR-additieven bevat. Ook is geprobeerd of herverwerking mogelijk is, maar dit is niet zo eenvoudig vanwege de verhoogde brosheid van de vezels na pyrolyse. De karakterisering van het vezeloppervlak met behulp van de SEM-microscoop bracht de effecten van oppervlakteschade aan het licht na de pyrolyse en dit lijkt sterker te zijn voor koolstofvezels dan bij basaltvezels.

Ten slotte werden demonstratoren gemaakt op basis van de beste hars- en vezelcombinaties voor automobieltoepassingen om de mogelijkheden van deze duurzame composieten te laten zien.