Struktur und Eigenschaften neuer, flammgeschützter Prepreg-Matrixsysteme für Anwendungen in der Kabine von Verkehrsflugzeugen

In der Kabine von Verkehrsflugzeugen eingesetzte Sandwichstrukturen bestehen aus einem
Kern mit Wabenstruktur, welcher auf beiden Seiten mit Prepreg-Decklagen versehen ist. Als
Matrixharze für diese Prepregs werden derzeit aufgrund der geringen Materialkosten und der
inhärenten Flammwidrigkeit nahezu ausschließlich Phenolharze eingesetzt. Diese Harzsysteme
bedingen aber aufgrund der Freisetzung leicht flüchtiger Anteile während der Härtung
und des damit einhergehenden, hohen Volumenschrumpfs schlechte Bauteiloberflächen
und somit hohe Kosten für Nacharbeit. Daraus leitet sich der Bedarf an neuen, nicht in einer
Kondensationsreaktion härtenden Matrixharzen für Anwendungen in der Flugzeugkabine ab.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen für
die Entwicklung neuartiger Prepreg-Matrixsysteme auf Epoxidharz-Basis für die skizzierte
Anwendung zu schaffen. Als Kernanforderungen an diese Harzformulierungen sind die Härtbarkeit
ohne Abspaltung von Kondensationsprodukten bei Temperaturen unter 160 °C in
maximal 60 Minuten sowie die Erfüllung der geltenden Brandschutzanforderungen für Bauteile
in der Kabine von Verkehrsflugzeugen zu nennen. Diese Arbeit konzentriert sich folglich
auf das Härtungskonzept und auf geeignete Ansätze zur Realisierung eines halogenfreien
Flammschutzes für die Prepreg-Matrixharze.
Als vielversprechende Kandidaten zur Erfüllung der Randbedingungen für die Härtung und
zum Erreichen der geforderten Lagerstabilität von mindestens 14 Tagen bei Raumtemperatur
werden flüssige Imidazoliumsalze als thermisch latente Initiatoren einer Homopolymerisationsreaktion
identifiziert. In dieser Arbeit wird das Reaktionsverhalten des Imidazoliumsalzes
1-Ethyl-3-methylimidazolium Dicyanamid mit Epoxid-Novolak-Harzen zunächst ohne
weiteren Härter und anschließend in Kombination mit dem aminischen Härter Dicyandiamid
betrachtet und aufgeklärt. Studien unter isothermen Härtungsbedingungen zeigen, dass eine
Härtung dieser Epoxidharzsysteme bei 140 °C in weniger als 30 Minuten möglich ist.
Zur Realisierung des halogenfreien Flammschutzes werden Kombinationen aus dem Phosphor-
basierten, reaktiven Flammschutzmittel DOPO und den anorganischen Additiven Böhmit
bzw. Aluminiumhydroxid hinsichtlich ihres Zusammenwirkens, insbesondere in Bezug
auf das Wärme- und Rauchfreisetzungsverhalten, untersucht. Parallel dazu wird der Einfluss
dieser Modifikationen auf die mechanischen Eigenschaften der Reinharze evaluiert. Es wird
gezeigt, dass durch die Kombination von Phosphor-basiertem und anorganischem Flammschutzmittel
eine erhöhte Flammschutzeffizienz gegenüber der isolierten Verwendung der
Einzelkomponenten erreicht werden kann. Durch den Zusatz der partikulären, anorganischen
Additive erhöht sich zudem die Bruchzähigkeit der Harzsysteme.
Anhand der unter Verwendung von Prepregs, basierend auf den hier diskutierten Matrixsystemen,
aufgebauten Faserverbund-Sandwichstrukturen kann gezeigt werden, dass die für
den Einsatz in der Kabine von Verkehrsflugzeugen bestehenden Brandanforderungen erfüllt
werden. Ferner wird gleichzeitig die Verarbeitbarkeit der imprägnierten Halbzeuge in manuellen
und automatisierten Legeprozessen nachgewiesen.