Long-term and fire performance of carbon fiber composite reinforced timber
The timber construction industry is considered to have a high potential in relation to the climate crisis. Carbon sequestration, low process energy requirements and lightweight construction are some of the advantages of building with wood but its market share, especially in multi-story buildings, is comparatively low. To increase its competitiveness with reinforced concrete and steel structures, hybrid materials combining carbon fiber-reinforced polymers (CFRP) and wood promise high potential. The addition of just a fraction of high strength and high modulus carbon fibers, can significantly increase the overall strength and stiffness of a wood structural member. As a tensile reinforcement, the ductility of wood structures can be increased. The failure mode of timber beams can be changed from brittle tensile to ductile compression failure. In addition, high safety factors are used to account for the natural variation of wood and wood products. With FRP-reinforcement, this variation could be reduced, making the use of wood more economical and environmentally friendly. However, there is a challenge in the interfacial bonding between the FRP reinforcement and the wood, which directly affects the short- and long-term performance of the composite. Wood, carbon fibers and thermoset polymers have different thermal and hygric expansions, elasticities and strengths, which can lead to delamination under unfavorable environmental conditions. In addition, to maximize gain, and in retrofit applications, where access is also limited, reinforcements are often positioned as the outermost layer of structural members. These locations are not only susceptible to environmental exposure but also to rapid heating in the event of a fire. The thermoset matrix systems are not only flammable, but can also lead to rapid failure of the CFRP reinforcement due to their low glass transition temperatures of 50 to 150°C. In order to support the safe use of CFRP- timber in the construction industry, additional research is needed. This dissertation focuses on the durability of epoxy resin bonded CFRP-wood under various environmental conditions. The short-term, long-term and fire performance of CFRP-wood were investigated. Possible improvements by modifying the surface of the wood prior to bonding such as priming with dimethylformamide, silanization with aminopropyltriethoxy- and octadecyltrichloro- silane as well as delignification with peracetic acid were investigated. Various tests were performed, including quasi-static and dynamic mechanical analysis tests, natural and artificial weathering and long-term stress analysis. Supporting investigations included chemical and microstructural studies of the surface and bond. Durability in high temperature environments, such as fire, was investigated in small-scale to bench-scale fire performance analysis. The fire performance of the thermoset matrix, carbon fiber reinforced polymer and CFRP-wood was analyzed and optimized using a statistical design- of-experiments (DoE) approach. Further statistical analyses were performed on all results to determine the significance of the effects found. The main contents of this dissertation are structured in three parts. (1) Chapter 4 contains the quantitative quasi-static and dynamic analysis of the shear, tensile and flexural properties of the thermoset matrix, wood and CFRP-wood on different scales. Also, supporting mechanical, chemical analyses were carried out to determine effects of chemical modifications on the wood surface. (2) In chapter 5, the long-term durability investigations of the thermoset matrix, wood and composite material in artificial weathering and long-term loading scenarios with respect to the chemical surface modifications. Supporting mechanical, chemical and microstructural analyses were carried out to determine corresponding mechanisms of the bond behavior. (3) Chapter 6 presents the fire performance investigations, e.g. fire spread risk, ease of extinction and fire resistance of the matrix, CFRP and CFRP-wood. An optimization was performed based on a statistical design-of-experiments (DoE) approach. Various combinations of fire retardants were tested in different scales and differences in efficiency were analyzed. A medium-scale test setup for investigating the effectiveness of fire retardants on the fire resistance has been proposed. The mechanical analysis has validated the strength and stiffness benefits by tensile reinforcement of wood with CFRP in quasi-static conditions. The mean flexural strength and apparent modulus of elasticity of CFRP-wood was found to increase by 24 % and 53 %, respectively for small-scale samples; and by 81 % and 66 % for medium scale samples depending on the cross-section, slenderness and reinforcement ratio. The analysis of the temperature dependent dynamic mechanical response of epoxy resin, carbon fiber- reinforced polymer, wood and CFRP-wood composites in temperature ranged from -20 to 150 °C and from 0.05 to 50 Hz. The results showed that CFRP-wood had not only a significantly higher mean storage modulus of (6770 MPa at 10 °C and 0.5 Hz) compared to pure wood (5765 MPa at 10 °C and 0.5 Hz) but also retained a significantly higher portion of 92.4 % or 6253 MPa until temperatures of 95 °C than pure wood of 84.2 % or 4856 MPa, respectively. After glass transition of the epoxy matrix, the storage moduli were non-significantly different due to loss of composite action. The mean shear strength in normal conditions of 20 °C and 65 RH of epoxy-bonded spruce of 8.3 ±1.5 MPa was found to be significantly lower than the shear strength of spruce wood of 10.0 ±0.9 MPa. In A4 condition, which consisted of six hours of boiling, two hours of water storage at 20 °C and testing in wet conditions, the average shear strength of epoxy-bonded wood amounted to 5.0 ±1.2 MPa, also significantly different to spruce wood 6.7 ±0.8 MPa. Therefore, the potential improvement of bond strength could be verified. For the investigation of the long-term durability, the individual materials and composites were exposed to natural and artificial weathering conditions. The epoxy resin system was exposed to temperature, moisture and radiation under artificial weathering conditions for one, two and three months as well as under natural weathering conditions for one, three, six and nine months. The exposure effects on the polymers strength and modulus were compared to normal and hygrothermal exposure conditions. The most severe degradation was found for artificial weathering exposure due photo-oxidative processes caused by UV-intense radiation. After one month of artificial exposure to 50 °C, water spray and radiation, the mean strength amounted to 20 MPa (CV 29.3%) or 36% of the unexposed strength. The natural weathering exposure did not show significant differences in mean strength until six months. Here the mean strength of 42 MPa (CV 9.4%) was found to be 25 % lower than the reference without exposure of 56 MPa (CV 21.4%). In regards the long-term durability of CFRP-wood exposed to 20 °C and six hours of water spray per day, matrix degradation could be excluded as potential factor. Wood and CFRP-wood with and without surface modifications were tested for flexural strength and modulus of elasticity after two, four and six months exposure to 20 °C and water spray. No significant differences in mean strength 94.9 MPa (CV 6.8%) or MoE 11.1 GPa (CV 21.3%) were found for spruce wood during the exposure. Decreasing trends of both mechanical properties were observed with increasing exposure durations for all treated and untreated CFRP-wood groups. After four months of exposure, the flexural strength was statistically not significantly different from a pure wood beam of identical size, reflecting complete loss of composite action. Wood surfaces treated with peracetic acid (DEL) and octadecylchlorosilane (OTS) prior to bonding showed degradation of bond strength already at lower exposure times. The results of the OTS treatment were found to prove that the bonding behavior of epoxy and wood highly depends on the presence of hydroxyl-groups in the wood. The peracetic acid treatment, conducted to mildly delignify the woods surface in the course of increasing hydroxyl-groups was found to result in weaker bond formation between wood and epoxy resin, especially in contact with excessive moisture. An accompanying analysis with Fourier Transform Infrared spectroscopy showed that, in contrast to other delignification methods, the mild treatment did not show significant changes in the absorption in the respective wavenumbers. Hence, mild positive effects if any of the delignification on the presence of hydroxyl groups were likely to be overshadowed by decreased bond formation between wood polymers and epoxy resin due to an excess of H3O+ ions and resulting higher the energy demand for deprotonation of hydroxyl groups. The surface modification with aminopropyltriethoxysilane and dimethylformamide did not show a significant effect on the flexural strength over exposure duration compared to the untreated CFRP- wood reference. Combined with results from the epoxy resin system durability investigation, it could be shown that not bulk material degradation but degradation of the interface between epoxy and wood caused significant performance losses in CFRP-wood samples. The losses were attributed to delamination due to moisture content changes in wood of in average 9 % (CV 15.5%) and resulting stresses exceeding the wet bond strength of epoxy-bonded CFRP-wood. None of the conducted surface modifications significantly increased the durability of CFRP-wood. The fire performance of the polymer and CFRP could be significantly increased by addition of fire retardants. The design-of-experiments test approach included four fire retardants, i.e., ammonium polyphosphate (APP), aluminum trihydroxide (ATH), melamine (MEL) and expandable graphite (EG). 41 mixtures were tested in order to define the limiting oxygen index (LOI) level within the test space. A regression model was developed (R2 = 0.82) to find the maximum LOI level, which was found in the combination of 24.6 wt.-% ammonium polyphosphate (APP) and 5.4 % melamine (MEL). Due to the synergistic spumific and charring effects of both fire retardants in the epoxy matrix, the limiting oxygen index level of epoxy was increased from 21 to 45 %. In CFRP, the LOI level was increased from 26 to 41 % in carbon fiber reinforced polymers. The differences in the two materials were attributed to the mechanical hindering of the intumescent fire retardation due to the carbon fibers and wicking effect. Based on the LOI test, a selection of eighteen mixtures of polymers and CFRP were investigated in the cone calorimeter on ease of ignition and contribution to the fire. Fire retardant mixtures were found to have a significantly lower average heat release rate (HRR180s) compared to the reference. The lowest heat release rates were found for the mixture containing APP-MEL with 104 kW/m2 and APP-ATH with 98 kW/m2 were approximately one third of the reference without fire retardants with 335 kW/m2. CFRP mixtures also had significantly lower avg. heat release rates and peak heat release rates than polymer mixtures with an average difference of 24.9 % and an average difference of 20.7 % in peak heat release rate. The residual masses indicated incomplete combustion of carbon fibers during the test as opposed to thermogravimetric analysis tests with temperature range of up to 1000 °C. In comparison of LOI and cone calorimetry data on fire performance, a linear correlation with a coefficient of determination (R2) of 0.57 was found. The relatively low correlation was partly related to the fiber orientation in CFRP. Depending on it, wicking effects and mechanical hindering in the expansion of intumescent fire retardants affected the both tests to different extents. The mean tensile strength of epoxy was 55.8 MPa and significantly reduced by the incorporation of fire retardants. For APP-MEL it amounted to 29.0 MPa, for APP-ATH to 31.5 MPa and for ATH-EG retarded samples to 21.8 MPa. Although less important in CFRP due to the high strength carbon fibers, the failure strain of fire retarded epoxies also significantly decreased from 1.7 % to 0.9 % in APP-MEL, 0.8 % in APP-ATH and 0.5 % in ATH-EG retarded samples and therefore, significantly under the failure strain of carbon fibers of 1.7 %. In application, this could result in premature matrix failure while tensile strength of carbon fibers cannot be fully exploited. A medium scale test setup for investigating the effectiveness of fire retardants on the fire resistance of CFRP-wood was proposed. The effects of a 1 mm thick fire-retarded epoxy layer as fire protection of CFRP-wood was observed but due to large variances, the differences in mean time to failure or furnace temperature, respectively were not found statistically significant. Failure occurred for all specimens by a combination of delamination and wood shear failure. quickly after temperatures in the interface exceeded the glass transition temperature. Significant differences in the mean temperature in the interface between CFRP and wood were found between reference (84 °C) and fire retarded systems (APP-MEL 80.5 °C and APP-ATH 74.6 °C). The effects of fire retardants became more pronounced at longer test durations, after CFRP had delaminated, respectively.
Dem Holzbau wird ein großes Potenzial zu Bewältigung der Klimakrise im Bauwesen zugeschrieben. Kohlenstoffbindung, geringer Prozessenergiebedarf und Leichtbau sind einige der Vorteile des Holzbaus, jedoch ist sein Marktanteil, insbesondere bei mehrgeschossigen Gebäuden, vergleichsweise gering. Um die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber dem Stahlbeton- und Stahlbau zu erhöhen, versprechen Hybridmaterialien aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Holz großes Potenzial. Die Verstärkung mit einem geringen prozentualen Anteil an hochfesten und -moduligen Kohlenstofffasern kann die Gesamtfestigkeit und -steifigkeit eines Holzbauteils erheblich steigern. Als Zugbewehrung kann die Versagensart von Holzbalken von sprödem Zugversagen auf duktiles Druckversagen verändert werden. Darüber hinaus unterliegen die mechanischen Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffe hohen natürlichen Schwankungen, welche hohe Sicherheitsfaktoren in der Bemessung erfordern. Mit einer FVK-Verstärkung können diese Schwankungen verringert und die Verwendung von Holzwerkstoffen wirtschaftlicher werden. Eine Herausforderung stellt jedoch der Verbund zwischen dem CFK und dem Holz dar, welcher in direktem Zusammenhang mit den mechanischen Kurz- und Langzeiteigenschaften des Kompositmaterials steht. Holz, Kohlenstofffasern und duroplastische Polymere haben unterschiedliche thermische und hygrische Ausdehnungen, Elastizitäten und Festigkeiten, die unter ungünstigen Umweltbedingungen zu Delaminationen führen können. Darüber hinaus bilden die Verstärkungen zur Steifigkeitsmaximierung, sowie in nachträglicher Verstärkung durch beschränkte Zugänglichkeit bedingt, oft die äußerste Schicht von Bauteilen. Diese Stellen sind nicht nur anfälliger für Umwelteinflüsse, sondern auch für die schnelle Erhitzung im Brandfall. Die duroplastischen Matrixsysteme sind nicht nur brennbar, sondern können aufgrund ihrer niedrigen Glasübergangstemperatur im Bereich von 50 bis 150 °C auch zu einem schnellen Versagen der CFK-Verstärkung führen. Um die sichere Verwendung von CFK-Holz in der Bauindustrie zu unterstützen, sind daher zusätzliche Forschungsarbeiten erforderlich. Diese Dissertation befasst sich mit der Haltbarkeit von epoxidharzgebundenem CFK-Holz unter verschiedenen Umweltbedingungen. Das Kurzzeit-, Langzeit- und Brandverhalten von CFK-Holz wurde untersucht. Mögliche Verbesserungen durch die Modifizierung der Holzoberfläche vor der Verklebung, wie z. B. durch Grundierung mit Dimethylformamid, Silanisierung mit Aminopropyltriethoxy- und Octadecyltrichlorosilan sowie die Delignifizierung mit Peressigsäure wurden untersucht. Es wurden verschiedene Tests sowohl an den epoxid-gebundenem Holz sowie an CFK-Holz durchgeführt, einschließlich quasistatischer und dynamischer mechanischer Versuche, natürlicher und künstlicher Bewitterung und Langzeitspannungsanalysen. Unterstützende Untersuchungen umfassten chemische und mikrostrukturelle Studien der Oberfläche und des Verbunds. Die Dauerhaftigkeit in Hochtemperaturumgebungen, wie bspw. im Brandfall, wurde in kleinskaligen und Brandversuchen im Labormaßstab untersucht. Das Brandverhalten der Duroplastmatrix, des kohlenstofffaserverstärkten Polymers und des CFK-Holzes wurden analysiert und mithilfe eines statistischen Versuchsplanungsansatzes optimiert. Alle Ergebnisse wurden weiteren statistischen Analysen unterzogen, um die Signifikanz der gefundenen Effekte zu bestimmen. Der Hauptinhalt dieser Dissertation gliedert sich in drei Teile. (1) Kapitel 4 enthält die quantitative quasistatische und dynamische Analyse der Scher-, Zug- und Biegeeigenschaften der duroplastischen Matrix, des Holzes und des CFK-Holzes auf verschiedenen Skalen. Außerdem wurden unterstützende mechanische und chemische Analysen durchgeführt, um die Auswirkungen chemischer Modifikationen auf die Holzoberfläche zu bestimmen. (1) Kapitel 4 enthält die quantitative quasistatische und dynamische Analyse der Scher-, Zug- und Biegeeigenschaften der Duroplastmatrix, des Holzes und des CFK-Holzes in verschiedenen Maßstäben. Außerdem wurden unterstützende mechanische und chemische Analysen durchgeführt, um die Auswirkungen chemischer Modifikationen an der Holzoberfläche zu bestimmen. (2) In Kapitel 5 werden Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit der Duroplastmatrix, des Holzes und des Verbundwerkstoffs bei natürlicher Bewitterung, künstlicher Bewitterung und Langzeitbelastung unter Berücksichtigung der chemischen Oberflächenmodifikationen dargestellt. Unterstützende mechanische, chemische und mikrostrukturelle Analysen wurden durchgeführt, um die entsprechenden Mechanismen des Verbundverhaltens zu ermitteln. (3) Kapitel 6 zeigt die Untersuchungen zum Brandverhalten, wie z.B. das Brandausbreitungsrisiko, die Fähigkeit zur Selbstverlöschung und den Feuerwiderstand der Matrix, des CFK und des CFK-Holzes. Zudem wurde eine Optimierung der Brandeigenschaften auf der Grundlage eines statistischen Versuchsplans durchgeführt. Verschiedene Kombinationen von Flammschutzmitteln wurden in unterschiedlichen Maßstäben getestet und die Unterschiede in der Wirksamkeit analysiert. Es wurde ein mittelgroßer Versuchsaufbau für die Untersuchung der Wirksamkeit von Flammschutzmitteln auf die Feuerwiderstandsfähigkeit vorgeschlagen und die Wirksamkeit der identifizierten Flammschutzmixturen für CFK-Holz untersucht. Die mechanische Analyse hat die Festigkeits- und Steifigkeitsvorteile durch die Zugverstärkung von Holz mit CFK unter quasi-statischen Bedingungen bestätigt. Die mittlere Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul von CFK-Holz bei kleinen Proben war um 24 % bzw. 53 % und bei mittelgroßen Proben um 81 % bzw. 66 % höher im Vergleich mit unverstärktem Holz, mit Abweichungen je nach Querschnitt, Schlankheit und Verstärkungsverhältnis. Die temperaturabhängigen dynamisch-mechanischen Eigenschaften von Epoxidharz-, kohlenstofffaserverstärkten Polymer-, Holz- und CFK-Holz- Verbundwerkstoffen wurden im Temperaturbereich von -20 bis 150 °C und von 0,05 bis 50 Hz analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass CFK-Holz nicht nur einen signifikant höheren mittleren Speichermodul (6770 MPa bei 10 °C und 0,5 Hz) im Vergleich zu reinem Holz (5765 MPa bei 10 °C und 0,5 Hz) aufweist, sondern auch einen signifikant höheren Anteil von 92,4 % bzw. 6253 MPa bis zu Temperaturen von 95 °C beibehält als reines Holz mit 84,2 % bzw. 4856 MPa. Nach dem Glasübergang der Epoxidmatrix unterschieden sich die Speichermodule aufgrund des Verlustes der Verbundwirkung nicht mehr signifikant. Die mittlere Scherfestigkeit von epoxidgebundenem Fichtenholz unter normalen Bedingungen (20 °C und 65 RH) war mit 8,3 ±1,5 MPa deutlich niedriger als die longitudinale Scherfestigkeit von Fichtenholz mit 10,0 ±0,9 MPa. Unter Exposition nach A4, d.h. sechs Stunden Kochen, zwei Stunden Wasserlagerung bei 20°C und anschließender Prüfung unter nassen Bedingungen betrug die durchschnittliche Scherfestigkeit von epoxidgebundenem Holz 5,0 ±1,2 MPa, ebenfalls ein signifikanter Unterschied zu Fichtenholz mit 6,7 ±0,8 MPa. Ein mögliches Verbesserungspotenzial in der Verbundfestigkeit wurde somit identifiziert. Für die Untersuchung der Langzeitbeständigkeit wurden die einzelnen Materialien und Verbundwerkstoffe natürlichen und künstlichen Bewitterungsbedingungen ausgesetzt. Das Epoxidharzsystem wurde unter künstlichen Bewitterungsbedingungen für einen, zwei und drei Monate sowie unter natürlichen Bewitterungsbedingungen für einen, drei, sechs und neun Monate Temperatur, Feuchtigkeit und UV-Strahlung ausgesetzt. Die Auswirkungen der Exposition auf die Festigkeit und den Modul des Polymers wurden mit normalen und hygrothermischen Expositionsbedingungen verglichen. Die stärkste Minderung wurde bei bei künstlicher Bewitterung durch photooxidative Prozesse festgestellt, die durch intensive UV-Strahlung verursacht wurden. Nach einem Monat künstlicher Bewitterung bei 50 °C, Wassersprühens und Bestrahlung betrug die mittlere Festigkeit noch 20 MPa (CV 29,3 %) oder 36 % der Festigkeit vor Exposition. Die natürliche Bewitterung zeigte bis zu sechs Monaten keine signifikante Auswirkung auf die mittlere Festigkeit. Erst nach sechs Monaten lag die mittlere Festigkeit mit 42 MPa (CV 9,4 %) um 25 % signifikant niedriger als die Referenz ohne Bewitterung mit 56 MPa (CV 21,4 %). In Bezug auf die Langzeitbeständigkeit von CFK- Holz, das 20 °C und sechs Stunden Wasserbesprühen pro Tag ausgesetzt war, konnte die Alterung der Polymermatrix als signifikanter Faktor ausgeschlossen werden. Holz und CFK-Holz mit und ohne Oberflächenmodifikationen wurden nach zwei, vier und sechs Monaten bei 20 °C und Spritzwasserexposition auf Biegefestigkeit und Elastizitätsmodul geprüft. Für Fichtenholz wurden während der gesamten Expositionsdauer keine signifikanten Unterschiede in der mittleren Festigkeit 94,9 MPa (CV 6,8 %) oder dem E-Modul 11,1 GPa (CV 21,3 %) festgestellt. Abnehmende Tendenzen beider mechanischer Eigenschaften mit zunehmender Expositionsdauer wurden für alle behandelten und unbehandelten CFK-Holz-Gruppen beobachtet. Nach viermonatiger Exposition unterschied sich die Biegefestigkeit statistisch nicht signifikant von einem reinen Holzbalken gleicher Größe, was den vollständigen Verlust der Verbundwirkung bedeutet. Holzoberflächen, die vor der Verklebung mit Peressigsäure (DEL) und Octadecylchlorsilan (OTS) behandelt wurden, zeigten bereits bei niedrigeren Expositionszeiten eine Verschlechterung der Verbundfestigkeit. Die Ergebnisse der OTS-Behandlung belegen, dass die Verbundfestigkeit von Epoxidharz und Holz stark vom Vorhandensein von Hydroxylgruppen im Holz abhängt. Die Peressigsäurebehandlung, die durchgeführt wurde, um eine Erhöhung der Hydroxylgruppen durche leichte Delignifizierung der Oberfläche zu erreichen, führte jedoch zu einem schwächeren Verbund zwischen Holz und Epoxidharz, insbesondere bei Kontakt mit übermäßiger Feuchtigkeit. Eine begleitende Analyse mit Fourier-Transform-Infrarot- Spektroskopie zeigte, dass die milde Behandlung im Gegensatz zu anderen Delignifizierungsmethoden keine signifikanten Veränderungen der Absorption in den jeweiligen Wellenzahlen zeigte. Es wird vermutet, dass durch die geringe Temperatur, ein höherer Anteil an Peressig- und Essigsäure auf der Holzoberfläche verblieb. Hierdurch entstand ein Überschuss an H3O+-Ionen, welcher zu einem höheren Energiebedarf für die Deprotonierung der Hydroxylgruppen der Holzpolymere führte und somit weniger kovalente Bindungen mit dem Epoxidharz entstanden. Die Oberflächenmodifikation mit Aminopropyltriethoxysilan und Dimethylformamid zeigte im Vergleich zur unbehandelten CFK-Holz- Referenz keine signifikante Wirkung auf die Biegefestigkeit über die Expositionsdauer. Zusammen mit den Ergebnissen aus der Untersuchung der Haltbarkeit des Epoxidharzsystems konnte gezeigt werden, dass nicht die Degradation der Materialien, sondern die Degradation der Grenzflächenhaftung zwischen Epoxidharz und Holz zu signifikanten Minderungen der mechanischen Eigenschaften bei CFK- Holz führte. Die Verluste wurden auf Delaminierung aufgrund von Feuchtigkeitsänderungen im Holz von durchschnittlich 9 % (CV 15,5 %) und daraus resultierenden Spannungen zurückgeführt, die die Nasshaftfestigkeit von epoxidgebundenem CFK-Holz überstiegen. Keine der durchgeführten Oberflächenmodifikationen erhöhte die Haltbarkeit von CFK-Holz signifikant. Das Brandverhalten des Polymers und des CFKs konnte durch die Zugabe von Flammschutzmitteln erheblich verbessert werden. Der statistische Versuchsplan umfasste vier Flammschutzmittel, Ammoniumpolyphosphat (APP), Aluminiumtrihydroxid (ATH), Melamin (MEL) und Blähgraphit (EG). Zur Beschreibung der Effektgröße und Synergien der Flammschutzmittel wurden 41 Mischungen getestet. Hierauf basierend wurde ein Regressionsmodell entwickelt (R2 = 0,82), um den maximalen LOI-Wert zu ermitteln, welcher, innerhalb der gesetzten Grenzen, in der Kombination aus 24,6 Gew.- % Ammoniumpolyphosphat (APP) und 5,4 % Melamin (MEL) gefunden wurde. Aufgrund der synergistischen schäumenden und verkohlenden Wirkungen der beiden Flammschutzmittel in der Epoxidmatrix wurde der Sauerstoffgrenzwert des Epoxidharzes von 21 auf 45 % erhöht. Bei CFK wurde der LOI-Wert bei kohlenstofffaserverstärkten Polymeren von 26 auf 41 % erhöht. Die Unterschiede zwischen den beiden Materialien wurden auf die mechanische Beeinträchtigung des intumeszierenden Brandschutzes durch die Kohlenstofffasern sowie auf den Dochteffekt dieser zurückgeführt. Auf der Grundlage des LOI-Tests wurde eine Auswahl von achtzehn Mischungen aus Polymeren und CFK im Cone-Kalorimeter auf ihre Entzündbarkeit und ihren Beitrag zum Brand hin untersucht. Es wurde festgestellt, dass die feuerhemmenden Mischungen im Vergleich zur Referenz eine signifikant niedrigere durchschnittliche Wärmefreisetzungsrate (HRR180s) aufwiesen. Die niedrigsten mittleren Wärmefreisetzungsraten wurden für die CFK-Mischungen mit APP-MEL mit 104 kW/m2 und APP-ATH mit 98 kW/m2 gefunden, die etwa ein Drittel der Referenz ohne Flammschutzmittel mit 335 kW/m2 betrug. CFK-Mischungen wiesen zudem signifikant niedrigere durchschnittliche Wärmefreisetzungsraten und Spitzenwärmefreisetzungsraten als Polymermischungen mit einer durchschnittlichen Differenz von 24,9 % und einer durchschnittlichen Differenz von 20,7 % bei der Spitzenwärmefreisetzungsrate auf. Die Restmassen von im Mittel 67,9 ±10,1 % wiesen auf eine hohe Schutzwirkung und unvollständige Verbrennung der Kohlenstofffasern während des Tests hin. Im Gegensatz hierzu wurde in thermogravimetrischen Analyseversuchen mit einem Temperaturbereich von bis zu 1000 °C eine vollständige Verbrennung der Kohlefaser mit Restmasse weniger als 1 % nachgewiesen. Beim Vergleich von LOI- und Cone-Kalorimetriedaten zum Brandverhalten wurde eine lineare Korrelation mit einem Bestimmungskoeffizienten (R2) von 0,57 festgestellt. Die relativ niedrige Korrelation hing wurde in Zusammenhang mit der Faserorientierung in CFK gebracht. Abhängig hiervon wirkten sich Dochteffekte und mechanische Hemmungen bei der Ausdehnung intumeszierender Flammschutzmittel in beiden Tests unterschiedlich stark aus. Die mittlere Zugfestigkeit von Epoxidharz lag bei 55,8 MPa und wurde durch die Einarbeitung von Flammschutzmitteln signifikant reduziert. Für APP-MEL lag sie bei 29,0 MPa, für APP-ATH bei 31,5 MPa und für ATH-EG-geschützte Proben bei 21,8 MPa. Obwohl sie bei CFK aufgrund der hochfesten Kohlenstofffasern weniger wichtig ist, sank die Bruchdehnung von brandgeschützten Epoxidharzen ebenfalls deutlich von 1,7 % auf 0,9 % bei APP-MEL, 0,8 % bei APP-ATH und 0,5 % bei ATH-EG geschützter Proben und damit deutlich unter die Bruchdehnung der Kohlefasern von 1,7 %. In der Anwendung könnte dies zu einem vorzeitigen Versagen der Matrix führen, während die Zugfestigkeit der Kohlenstofffasern nicht voll ausgenutzt werden kann. Es wurde ein mittelgroßer Versuchsaufbau zur Untersuchung der Wirksamkeit von Flammschutzmitteln auf die Feuerwiderstandsfähigkeit von CFK-Holz entwickelt. Die Auswirkungen einer 1 mm dicken Epoxidschicht aus verschiedenen Mischungen als Brandschutz für CFK-Holz wurden getestet. Aufgrund der großen Streuung wurden die Unterschiede in der durchschnittlichen Zeit bis zum Versagen bzw. der Ofentemperatur als statistisch nicht signifikant eingestuft. Das Versagen trat bei allen Proben durch eine Kombination aus Delaminierung und Scherversagen des Holzes ein, nachdem die Temperaturen in der Klebfläche die Glasübergangstemperatur des Epoxidharzes überschritten hatten. Signifikante Unterschiede in der mittleren Temperatur an der Grenzfläche zwischen CFK und Holz wurden zwischen den Referenzsystemen (84 °C) und den brandgeschützten Systemen (APP-MEL 80,5 °C und APP-ATH 74,6 °C) festgestellt. Mit zunehmender Versuchsdauer wurden die Auswirkungen der Flammschutzmittel deutlicher.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
