Entwicklung einer Debonding-on-Demand-Konzeptlösung unter Verwendung funktioneller Suszeptor-Additivmaterialien zur Erzeugung von Thermoschocks

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Konzeptentwicklung und Charakterisierung eines Debonding-on-Demand-Systems auf Grundlage von Thermoschocks für den beispielhaften Anwendungsfall von makroskopischen Leichtbaustruktur-Klebeverbindungen. Der erarbeitete Ansatz beinhaltet dabei flächige und partikuläre Additivmaterialien, die im Sinne einer Design-for-Recycling-Lösung in das Klebstoffsystem, bzw. die Klebefuge, eingebracht werden. Dort agieren sie als Suszeptoren in einem angelegten elektromagnetischen Wechselfeld, welches über ein Hochfrequenz-Induktionssystem (Trumpf Hüttinger TruHeat 5005, max. 5kW, 300kHz) eingebracht wird. Dabei sind sie in der Lage effektiv Strahlungsenergie aus dem Induktionsfeld zu absorbieren, bzw. in dieses einzukoppeln, und diese durch verschiedene Verlustmechanismen effizient in Wärme umzusetzen. Die vorherrschenden hohen Heizraten erzeugen dabei einen Temperaturschock, der zu einer maßgeblichen Schwächung der Anhaftung des Klebstoffs im Grenzbereich Klebstoff-Additivmaterial führt. Auf diesem Wege können reversible Klebestellen gestaltet werden. Neben der Möglichkeit zur Erzielung hoher Heizraten ist vor allem auch die materialspezifische Ausbildung von Hot-Spots für eine spätere industrielle Anwendbarkeit relevant und wird deshalb ebenfalls untersucht. Die Auswahl der Suszeptor-Materialien setzt sich aus Metall-Drahtgittern, Kohlenstofffaser-Vliesstoffen, mikro-und nanopartikulären Füllstoffen, sowie speziellen Abschirmstoffen unter Verwendung metallischer Dünnschichten zusammen. Hinsichtlich ihrer Erwärmungseigenschaften wurden die leistungsfähigsten Varianten ermittelt und diese anschließend in definierte Klebestellen eingebracht. Die additivierten Verklebungen wurden mittels Zugscherprüfung (modifiziert nach ASTM D 5868) sowie Dynamisch-Mechanischer-Analyse (modifiziert nach DIN EN ISO 6721-1) auf eine etwaige Degradation gegenüber der jeweiligen Referenzeigenschaften untersucht. Es konnte prinzipiell demonstriert werden, dass mithilfe der beschriebenen Konzeptlösung für mehrere Varianten flächiger Suszeptoren reversible Strukturklebungen gestaltet werden können. Dabei konnten Aufheizraten von bis zu 575 K/s für eine Leistung des Induktionsgenerators von PGenerator = 4kW (80%) demonstriert werden. Als insgesamt problematisch ist die deutliche Ausbildung von Hot-Spots zu beurteilen. Im Rahmen der durchgeführten Zugscherprüfungen konnten für eine Materialvariante Referenzeigenschaften (13,1 MPa) in modifizierten Klebestellen nachgewiesen werden. Die zugehörige Dynamisch-Mechanische-Analyse lieferte keine eindeutigen Ergebnisse und bedarf weiterer Anpassungen für die gegebenen komplexen Materialsysteme. Die Anwendbarkeit der favorisierten Suszeptor-Additive auf kohlenstofffaserverstärktem Strukturmaterial, welches ein eigenes Einkoppelverhalten im Induktionsfeld aufweist, wurde für zwei verschiedene Materialkombinationen validiert. Aus diesen Messungen konnten darüber hinaus erste Erkenntnisse für den Einsatz kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs als direkter Suszeptor, zusätzlich zu seiner Funktion als Strukturmaterial, gewonnen werden. Bei Verwendung partikulärer Suszeptoren wurde keine nennenswerte Hot-Spot-Ausbildung, sondern ein sehr gleichmäßiges Erwärmungsverhalten demonstriert. Die erzielten Aufheizraten liegen für diese Materialien jedoch derzeit noch auf niedrigem Niveau, sodass keine relevanten Thermoschocks erzeugt werden konnten. Für die beschriebene Konzeptlösung zur Erzeugung reversibler Klebestellen ergibt sich großes Anwendungspotential hinsichtlich effizienter Reparatur- und Recyclingprozesse. Hieraus könnten Möglichkeiten zur signifikanten Erhöhung des Einsatzzeitraums komplexer Integralstrukturen und darauf folgend zur Gewährleistung sortenreiner Stoffströme im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufführung abgeleitet werden. Dadurch könnte eine deutliche Steigerung der Attraktivität von Anwendungslösungen unter Einsatz von Klebstofftechnologie erreicht werden, insbesondere im Zusammenhang mit strukturellen Klebeverbindungen faserverstärkter Verbundwerkstoffe.

The work in hand approaches the concept-development and characterization of a debonding-ondemand-system for the exemplary application within lightweight structural adhesive joints using thermal-shocks. The acquired concept applies 2D-planar and particulate additive-materials which are subjoined to the adhesive system or bonding line in terms of a design-for-recycling-solution. They operate as susceptors in an alternating electromagnetic field which is generated by a high frequency induction system (Trumpf Hüttinger TruHeat 5005, max. 5kW, 300kHz). The susceptor-material has the ability to couple into the induction-field hence absorbing radiation energy as well as transforming this energy into heat using various loss-mechanisms. As a consequence, high heating rates are obtained causing a thermal-shock that significantly weakens the adherence of the adhesion system directly at the additive-surface. This technique opens up new possibilities for the creation of reversible adhesive joints. In addition to the capability of generating these high heating rates, the material-specific manifestation of Hot-Spots is a relevant parameter in terms of an industrial applicability and was investigated therefore as well. The material-selection was composed alongside metallic wire gratings, carbon fibre non-woven fabrics, micro- and nanoparticulate fillers and specific shielding fabrics using metallic thin films. The most effective susceptor-variants have been identified regarding their heating-characteristics and were embedded in defined adhesive joints. These bondings have been investigated in respect of any degradation that may arise in comparison to references using a modified single-lap-shear-test (following modified norm ASTM D 5868) as well as dynamic-mechanical-analysis (following modified norm DIN EN ISO 6721-1). Results basically establish the proof of concept in terms of creating reversible adhesive joints using several variants of chosen 2D-planar susceptor-additives. Heating rates up to 575 K/s could be demonstrated thereby for a generator-output of PGenerator = 4kW (80%). The distinct manifestation of localised Hot-Spots was evaluated as a major problem for the heating process of chosen materials. Referring to the mechanical investigations, single lap shear tests revealed a shear strength on reference-level (13,1 MPa) for one of the susceptor-variants. Corresponding dynamical-mechanical-analysis did provide ambiguous results, subsequently further adaptions should be considered in order to examine given complex material-systems. Favoured susceptoradditives were successfully validated for their applicability in combination with two variants of subsidiary carbon fibre reinforced structures, which exhibit an own coupling behaviour. Acquired results can be understood as a fundamental research for the additional use of carbon fibre reinforced polymers as direct susceptors due to their structural main function. A very uniform heating behaviour without considerable Hot-Spots showed up utilising particulate susceptors. Actual minor heating rates are just not able to cause relevant thermal-shocks in case of using this materials though. A concept-solution for processing of reversible adhesive joints could be developed, revealing significant potential in terms of creating efficient maintenance-solutions and recycling-processes. Subsequently new possibilities for increased lifetime of complex integral-structures followed by a single-variety industrial metabolism in accordance with the demand for sustainable life-cycle management can be deduced from given results. A notably enhanced appeal of application solutions using adhesive technology would be achieved as a consequence, particularly for structural adhesive bonding of fibre-reinforced composites.