Zur zeit-, temperatur- und umsatzabhängigen Entwicklung polymerphysikalischer Vernetzungsschwindung aminisch vernetzender Epoxide

Schümann, Jan-Peter

Rotorbl¨atter von Windenergieanlagen werden nach dem heutigen Stand der Technik zumeist in Halbschalenbauweise in Faserverbundbauweise gefertigt und dann verklebt. Am weitesten verbreitet sind Klebstoffe auf Epoxidharzbasis, die mit aminischen Komponenten ausgeh¨artet werden. In den Verklebungen k¨onnen bereits w¨ahrend des Aush¨artungsprozesses des Klebstoffes Sch¨adigungen in Form von Rissen in der Hinterkantenverklebung der Rotorbl¨atter auftreten. Die Ursachen f¨ur das Auftreten dieser Risse sind nach dem heutigen Stand der Technik unbekannt, vermutet wird ein Zusammenhang mit der Schwindung des Klebstoffes. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, die Schwindung aminisch geh¨arteter Epoxidharze zu charakterisieren, um die Grundlagen f¨ur weitere Arbeiten zu schaffen, in denen dann an den Ursachen der Rissentstehung geforscht werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, werden grunds¨atzliche ¨Uberlegungen dazu angestellt, welche Arten der Schwindung existieren. Die wichtigste Art der Schwindung ist diejenige, die auftritt, wenn der Klebstoff bereits im Festk¨orperzustand vorliegt. Nur dieser Anteil an der Gesamtschwindung kann zu internen Spannungen f¨uhren. Schwindung, die vor dem Festk¨orperzustand auftritt, kann die reaktive Harz-H¨arter-Mischung durch Nachfließen ausgleichen. Um die Festk¨orperschwindung zu erfassen, wird eine in-situ Messmethodik sowie ein Vorgehen zur Auswertung gemessener Daten entwickelt. Da der gr¨oßte Teil der Risse immer dieselbe Orientierung zum Koordinatensystem des Rotorblattes aufweist, ist es von großem Interesse, eine eventuell vorhandene Richtungsabh¨angigkeit der Schwindung festzustellen. Ist solch eine Richtungsabh¨angigkeit vorhanden, m¨ussen innerhalb der Verklebung innere Spannungen vorhanden sein oder Dichteunterschiede bestehen. Beide F¨alle werden daf¨ur sorgen, dass die Materialantwort auf ¨außere Belastungen nicht mehr isotrop ausf¨allt und das Materialverhalten nicht mehr als isotrop bezeichnet werden kann. Diese Richtungsabh¨angigkeit der Festk¨orperschwindung von der Geometrie ist im Rahmen dieser Arbeit erstmals untersucht und nachgewiesen worden. Sobald die in-situ Messmethodik besteht, sollen weitere Untersuchungen das m¨ogliche Einsatzspektrum der Methode zeigen. Gepr¨uft wird, ob sich die Methode eignet, um Einfl¨usse der Temperaturf¨uhrung w¨ahrend des Aush¨artungsprozesses und Einfl¨usse des F¨ullgrades auf die Reaktionsharzmasse zu unterscheiden. Auch Untersuchungen zum W¨armeausdehnungsverhalten des Materials werden vorgenommen. Am Ende dieser Untersuchungen steht das Ziel, diejenige Schwindung zu quantifizieren, die einen Beitrag zur Entstehung interner Spannungen liefern kann. Diese Schwindung betr¨agt entgegen der dominierenden Meinung, die auch der gr¨oßte Teil der Fachliteratur widerspiegelt, lediglich bei 0,15 % pro Raumrichtung. Die so erzielten Ergebnisse erm¨oglichen auch die Absch¨atzung der internen Spannungen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern Hinweise f¨ur die Klebstofflieferanten hinsichtlich der wichtigsten Entwicklunsparameter. F¨ur die Klebstoffverarbeitende Industrie k¨onnen die Ergebnisse Hinweise zur Optimierung von Temperzyklen im Aush¨artungsprozess hinsichtlich der Minimierung der Festk¨orperschwindung zur Vermeidung interner Spannungen liefern. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick zu weiterem Forschungsbedarf ab, um die Rissentstehung vor der eigentlichen mechanischen Belastung der Verklebung zu verstehen.

Most rotor blades of wind energy generators are manufactured today by bonding two shells together. The shells are produced using classic fiber reinforcment techniques. As for the bonding paste, an epoxy component is most commonly used, which is cured by amine hardeners. In some cases, this bonding paste shows damage in the form of cracks in the trailing edge bond line, even prior to demoulding. The reasons for such cracks are unknown. However, it is presumed that there is a relation between the damage and the shrinkage of the bonding paste. The main objective of this work is thus to characterize the shrinkage of amine-cured epoxy resins in order to establish the basic knowledge for further investigation on crack initiation prior to mechanical loading and the in-field usage of the rotor blades. Principle considerations are made to understand the different instances of shrinkage. The most important instance is the one occuring while the epoxy-amine mixture is already in its solid state. Only this contribution to the total shrinkage may result in internal stresses, as the material can compensate shrinkage prior to the solid state by levelling flow. In order to measure the solid state shrinkage, a strain gauge based in-situ measurement method as well as a regime to evaluate the measured data will be established. As the majority of the cracks share the same orientation with reference to the rotor blade coordinate system, it is important to investigate the direction of the principal strain axes. If there is a principal direction, it will be important to find the parameters this direction depends on. This will also be a hint at internal stresses and density differences within the bond line. Both effects must result in a non-isotropic material behaviour when loaded. Hence, the material may no longer be assumed to be isotropic. The principal shrinkage direction has been investigated and shown for the first time in the present work. Once the in-situ measurement method exists, further experiments must show the possible fields of application. Therefore, it has been investigated whether the method can show the effect of different curing temperature profiles and of different filler contents on the solid state shrinkage. Also, the thermal expansion of solid state material has been investigated. At the end of the experiments, the solid state shrinkage could be quantified as 0.15 % per direction in space, opposing most of the specialized literature. Using the achieved results, it is also possible to estimate the internal stresses. The obtained results may be understood as suggestions for the bonding paste suppliers, which parameters may be of interest to change in future product developments. As for the application of bonding paste, the obtained results may hint at an optimized production cycle, minimizing shrinkage and internal stresses. The thesis closes with an outlook on future required work, in order to fully understand the crack initiation prior to mechanical loading.

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Schümann, Jan-Peter: Zur zeit-, temperatur- und umsatzabhängigen Entwicklung polymerphysikalischer Vernetzungsschwindung aminisch vernetzender Epoxide. 2019.

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