Warum sollte UD-Prepreg während der Verwendung vor Feuchtigkeit geschützt werden?

Die Auswirkung von Feuchtigkeit auf UD-Prepreg-Harzsysteme

Die für unidirektionale Prepregs verwendeten Harzsysteme – sowohl Epoxid- als auch Phenolharze – sind stark hygroskopisch und nehmen Feuchtigkeit besonders bei der Glasübergangstemperatur (Tg) der Harzsysteme auf. Die Polymerketten in den Harzen enthalten polare Gruppen, die mit Wasser binden. Dies führt zu zwei wesentlichen Problemfeldern: (i) wasserinduzierte Plastifizierung des Harzes und (ii) Hydrolyse, also die wasserbedingte Spaltung chemischer Bindungen im Harzsystem. Eine signifikante Feuchtigkeitsaufnahme (über 60 % relative Luftfeuchtigkeit) erfolgt innerhalb weniger Tage in den harzreichen Bereichen zwischen den Fasern und führt zu Quellung sowie zu Spannungen, die durch die Wasseraufnahme im Harz verursacht werden. Das Harz wird weicher und haftet schlechter an den Fasern. Dadurch ist die Lastübertragung über die Harz-Faser-Grenzfläche beeinträchtigt. Dies ist insbesondere bei UD-Prepregs problematisch, da das Harz in Faserrichtung stärker konzentriert ist.

Feuchtigkeit begünstigt potenzielle Schwachstellen bereits vor Beginn der Aushärtung. Hersteller müssen dieses Risiko während Lagerung und Handhabung mindern.

Diffusionsdynamik: Der Mechanismus der unidirektionalen Faserarchitektur und der Umgebungsfeuchtigkeit

Unidirektionale (UD) Prepregs absorbieren Wasser deutlich schneller als Gewebematerialien, wofür vor allem die Wechselwirkung von Feuchtigkeit mit den Fasern verantwortlich ist. Da alle Fasern gerade ausgerichtet sind, bilden sich an den Übergängen zwischen Faser und Harz Mikrokanäle. Dadurch kann Feuchtigkeit bis zu 3- bis 5-mal schneller durch die Faserbündel wandern als durch das Harz unter denselben Luftfeuchtigkeitsbedingungen. Beispielsweise beginnt ein UD-Prepreg mit Standarddicke bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 75 % bereits nach 8 Stunden mit der Wasseraufnahme – deutlich früher als Gewebematerialien, die hierfür zwei Tage benötigen. Drei wesentliche Faktoren tragen zu diesem Phänomen bei: Erstens weisen die geraden Fasern im Prepreg ein höheres Volumen-zu-Oberfläche-Verhältnis auf, was eine effektivere Feuchtigkeitsbewegung ermöglicht. Zweitens hinterlässt die Erosion der Faserbündel Feuchtigkeitsleitbahnen, die die Feuchtigkeitsbewegung durch das Harz weiter beschleunigen. Diese Bedingungen führen zu einer raschen Verschlechterung der Integrität des Prepregs. Temperaturwechsel aus Erwärmung und Abkühlung bewirken zudem die Bildung sehr kleiner Ströme innerhalb der Faserbündel, die die Feuchtigkeitserosion des Prepregs zusätzlich beschleunigen.

Mikrohohlräume, Blasen und Delaminationen in unidirektionalen Prepreg-Laminaten

Feuchtigkeitsbedingte Hohlrumbildung (>0,3 Gew.-% → >15 % ↑ Hohlrumvolumen gemäß ASTM D2734)

Mikrohohlräume entstehen in Verbundwerkstoffen während des Aushärteprozesses, wenn die von den Materialien aufgenommene Feuchtigkeit verdampft und sich ausdehnt. Selbst bei einem Feuchtigkeitsgehalt von nur 0,3 Gew.-% können Hohlräume mehr als 15 % des Gesamtvolumens ausmachen. Dieser Zustand ist gemäß den Luft- und Raumfahrtstandards ASTM D2734 nicht akzeptabel. Die Hohlräume verursachen anschließend gravierende Probleme an den Übergangsbereichen zwischen Harz und Fasern, da diese Bereiche nicht ausreichend mit Harz versorgt werden, was die strukturelle Integrität des Verbundwerkstoffs verringert. Unidirektionale Prepreg-Materialien sind feuchtigkeitsempfindlich und nehmen Feuchtigkeit leichter auf als andere Verbund-Prepregs. Hersteller müssen daher die relative Luftfeuchtigkeit streng kontrollieren, um übermäßige Hohlrumbildung zu verhindern und sicherzustellen, dass die Verbund-Prepreg-Materialien keine Ausschussstücke in der Produktion ergeben.

Aushärtebedingte Fehler: Blasenbildung und Zwischenschichttrennung aufgrund von Feuchtigkeit

Während Feuchtigkeit in Verbundwerkstoffen eingeschlossen ist, führt deren Vorhandensein während des Autoklavens zu einer Zunahme von Dampf und Druck, was wiederum zu Blasenbildung im Harz und zur Schichttrennung führt. Die Daten sind eindeutig: Während des Autoklavens zeigte der Verbund-Prepreg mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 75 % während der Prepreg-Laminierung nahezu doppelt so häufig Blasenbildung wie der Verbund-Prepreg mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 30 % während der Prepreg-Laminierung. Sobald es zu Harzausblutung und Schichttrennung kommt, können schädliche mechanische Spannungen diese Probleme weiter verschärfen. Diese Probleme sind von erheblicher Bedeutung für die Ermüdungsfestigkeit von Flugzeugkomponenten, da die strukturelle Integrität von Flugzeugkomponenten von kritischer Wichtigkeit ist. Lagerung und Transport der Prepreg-Materialien verdeutlichen, wie entscheidend das Management von Trockenräumen ist, um sicherzustellen, dass unidirektionale Prepreg-Verbundwerkstoffe bei ihrer Inbetriebnahme eine optimale Leistung erbringen.

Reale Folgen: Auswirkungen auf Feldausfälle und Luftfahrtzertifizierungen

Delaminierungsfall an der Tragflächenhaut des Airbus A350: Ursache identifiziert als hoher Feuchtigkeitsgehalt im UD-Prepreg

Während der Durchführung von Flugtests für eines der jüngst entwickelten Flugzeuge stellten Ingenieure fest, dass die Delaminierung der Flügeloberfläche auf die zu hohe Feuchtigkeit des unidirektionalen (UD) Prepregs zurückzuführen war. Was bedeutet „zu feucht“? Einfach ausgedrückt: über 0,4 Gewichtsprozent. Was war geschehen? Das UD-Prepreg wies Mikrorisse auf, die nicht nur zur Delaminierung der Oberfläche führten, sondern auch schwerwiegende Folgen mit sich brachten – nämlich Umbaukosten in Höhe von 200 Millionen US-Dollar und Verzögerungen von elf Monaten vor Erhalt der Zertifizierung gemäß der Sicherheitsmitteilung der EASA 2022. Solche genannten Verzögerungen verdeutlichen die Bedeutung einer sorgfältigen Feuchtigkeitsüberwachung bei Prepregs, um kostspielige Neukonstruktionen und regulatorische Verzögerungen zu vermeiden. Prepregs, die einer übermäßigen Feuchtigkeit ausgesetzt sind, beeinträchtigen die Materialien und erfordern eine erneute, von der FAA und der EASA vorgeschriebene sowie mit erheblichen Kosten verbundene Qualifizierung zur Erfüllung der regulatorischen Anforderungen. Daten zum Rumpfpanel des Boeing 787: Eine Lagerung bei 75 % rel. Luftfeuchtigkeit verdoppelt die Blasenbildung im Vergleich zur kontrollierten Lagerung bei < 30 % rel. Luftfeuchtigkeit.

Daten, die von einem großen Luft- und Raumfahrt-Hersteller zur Feuchtigkeitsaufnahme von Rumpfpaneelen bereitgestellt wurden, liefern besorgniserregende Ergebnisse. Die Daten zeigen, dass Paneelen, die 48 Stunden einer relativen Luftfeuchtigkeit von 75 % ausgesetzt waren, einen Hohlraumanteil von etwa 32 % aufweisen. UD-Prepreg-Material, das bei einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 30 % gelagert wurde, weist hingegen einen Hohlraumanteil von 16 % auf, was als geringere, feuchtebedingte Blasenbildung gilt. Feuchtebedingte Blasenbildung wird bereits von den Lufttüchtigkeitsstandards als unzulässig eingestuft; gemäß dem SAE AIR 7292-Standard ist für primäre Strukturkomponenten innerhalb eines Flugzeugrumpfs eine Toleranz von lediglich 5 % Hohlraumanteil vorgeschrieben. Selbstverständlich bedeutet dies auch, dass die Reparaturkosten außerordentlich hoch werden. Ein weiteres interessantes Ergebnis zusätzlicher Laboruntersuchungen ist, dass sich die zulässige Verarbeitungszeit für Prepreg-Materialien bei jeder Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit um 10 % um etwa 15 Stunden verkürzt – also die Zeit bis zum Beginn einer irreversiblen Harzdegradation durch Wärmeeinwirkung. Deshalb verbessert ein effektives Feuchtigkeitsmanagement in Fertigungsumgebungen den nutzbaren Verarbeitungsbereich erheblich.

Erfolgreiche Feuchtigkeitskontrolle für UD-Prepreg

Beste Methoden: Trockenraumspezifikationen (ISO 12944-2), Trockenmittelbeutel und Echtzeit-NIR

Die Qualitätskontrolle für UD-Prepreg-Materialien oder sogar nur die Kontrolle der Feuchtigkeitswerte ist zwingend erforderlich. Beispielsweise können Trockenräume, die gemäß oder im Einklang mit der Norm ISO 12944-2 errichtet wurden, die Luftfeuchtigkeit auf 30 % (rel. Luftfeuchte) oder darunter halten, um einen Abbau des Harzes während der Handhabung zu verhindern. Zusätzlich dazu können vakuumverpackte Trockenmittel-Feuchtigkeitsindikatorstreifen im Vergleich zu herkömmlichen Feuchtigkeitssperrenfolien etwa 95 % des Luftsauerstoffs vom Harz fernhalten. Für eine kontinuierliche, ungestörte Messung des Feuchtigkeitsgehalts des Harzes (über 0,1 Gew.-%) stehen Nahinfrarot-(NIR)-Feuchtigkeitssensoren zur Verfügung, die bei Erreichen des Schwellenwerts einen Alarm auslösen. Die Kombination all dieser Methoden erweist sich als äußerst wirksam, um während des Aushärtungsprozesses die Porosität um 80 % zu reduzieren und Blasenbildung vollständig zu eliminieren. Dies ist besonders bemerkenswert angesichts des Vertrauens, das die Hersteller hinsichtlich ihrer Lagerpraktiken für Materialien durch beschleunigte Alterungsstudien gewonnen haben, die in künstlich erzeugten heißen und feuchten Umgebungen – repräsentativ für tropische Bedingungen – durchgeführt wurden.

FAQ

Was ist die Hauptbedenken hinsichtlich UD-Prepreg-Harzsysteme?

Die Hauptbedenken hinsichtlich UD-Prepreg-Harzsysteme betreffen die Wasseraufnahme, die wiederum zur Plastifizierung und Hydrolyse führt und dadurch die strukturelle Integrität des Materials beeinträchtigt.

Warum nehmen UD-Prepregs mehr Feuchtigkeit auf als Gewebematerialien?

Die geradlinige Faseranordnung von UD-Prepregs ermöglicht eine leichtere Feuchtigkeitsaufnahme im Vergleich zu Gewebematerialien. Zudem verschärfen Temperaturschwankungen die Feuchtigkeitsaufnahme.

Welche Auswirkungen hat zu viel Feuchtigkeit in UD-Prepregs?

Überschüssige Feuchtigkeit kann Hohlräume, Blasen und Delaminationen verursachen, wodurch die strukturelle Integrität beeinträchtigt wird und katastrophale Versagen eintreten können.

Wie lässt sich die Feuchtigkeit in UD-Prepregs kontrollieren?

Zur Kontrolle der Feuchtigkeitsgehalte können Trockenräume, trockene Verpackung sowie Echtzeit-Überwachung mittels Nahinfrarot eingesetzt werden.