Die Wasseraufnahme von Epoxidharzen und CFK-Laminaten ist in der Literatur mehrfach beschrieben. Für Epoxidharze sind hier typische maximale Aufnahmewerte von 1 bis 7 Ge-wichtsprozent (Gew.-%) bekannt [43]. Dabei sind die Menge und die Auswirkungen abhängig von vielen Faktoren, wie der chemischen Zusammensetzung des Polymers, der Polarität des Polymers, dem Aushärtegrad, der thermischen Historie und der Mikrostruktur [44-50].
In der Literatur finden sich einige Untersuchungen zur Fragestellung, in welchem Zustand das Wasser im Polymer vorliegt. Dabei wird vorwiegend zwischen gebundenem und freiem Was-ser unterschieden [46]. Unter freiem WasWas-ser wird verstanden, dass sich das WasWas-ser in Nano-poren befindet und kaum Wechselwirkung mit dem Polymer aufweist [43, 51, 52]. Bei ge-bundenem Wasser wird davon ausgegangen, dass sich das Wasser über Wasserstoffbrücken-bindungen am Polymer anlagert. Dies geschieht über polare Gruppen wie den Hydroxylgrup-pen (OH) im Polymer [48, 53, 54]. Basierend auf den Ergebnissen von Sorptions- und Desorptionsversuchen, wird von Zhou und Lucas [54] gefolgert, dass neben einfachen Was-serstoffbrückenbindungen auch mehrfache Brückenbindungen möglich sind. Während einfa-che Bindungen niedrige Aktivierungsenergien besitzen und zum Plastifizieren des Polymers führen, besitzen mehrfach gebundene Wassermoleküle höhere Aktivierungsenergien und be-nötigten dementsprechend höhere Temperaturen für die Desorption [55]. Die Wahrschein-lichkeit der Bildung von mehrfachen Wasserstoffbrückenbindungen steigt mit zunehmender Dauer und Temperatur der Lagerung in einer feuchten Umgebung. Die mehrfachen Wasser-stoffbrückenbindungen wirken im Polymer vernetzend.
Eine Unterscheidung von gebundenem und freiem Wasser im Polymer kann über niederfre-quente dielektrische Messungen, magnetic resonance imaging oder positron annihilation lifetime (PAL) Messungen, erfolgen [48, 50, 56].
Die stattfindenden Sorptions- und Desorptionsprozesse sind reversibel. Allerdings können erhöhte Temperaturen notwendig sein, um den Desorptionsvorgang vollständig abzuschlie-ßen. Dies geschieht bevorzugt bei Temperaturen über dem Tg [49].
Die ablaufenden Prozesse bei der Diffusion von Wasser in ein Epoxidharz sind sehr komplex und nach dem Stand der Technik nicht vollständig erklärbar. Musto stellt dar, dass gebunde-nes Wasser mit einem dualen Modell unter Berücksichtigung von freiem und gebundenem Wasser beschrieben werden kann [57].
Untersuchungen zur Druckfestigkeit von CFK-Laminaten beschreiben Plastifizierung als eine Folge von Hot-Wet-Lagerungen. Durch die Plastifizierung wird die Matrixfestigkeit
herabge-setzt. Dies führt zum verfrühten Knicken der Fasern, aufgrund einer herabgesetzten Stützfä-higkeit der Matrix [58, 59].
Die Abnahme der Stützfähigkeit der Matrix wirkt sich auch auf die mechanische Belastbarkeit von Strukturbauteilen aus. Feng et al. überprüfen die Beulsteifigkeit eines epoxidbasierten versteiften CFK-Panels aus CCF300/5228A in trockenem und feuchtem Zustand. Durch die Feuchteeinlagerung wird die Beulsteifigkeit um bis zu 22,2 % herabgesetzt [60].
Auch für Klebevorgänge kann der Einfluss der Feuchteaufnahme in das CFK-Laminat negati-ve Auswirkungen haben. Parker zeigt dies sowohl anhand von unterschiedlich stark feuchte-gesättigten CFK-Proben, als auch an unterschiedlichen, epoxidbasierten Filmklebstoffen [61].
Für die untersuchten Materialien wird festgestellt, dass bei zunehmender Aushärtetemperatur (120 °C auf 170 °C) der negative Einfluss der Feuchte auf die Klebefestigkeit abnimmt.
Aufgrund der Untersuchungen wird empfohlen, dass der Feuchtegehalt des Laminates vor dem Kleben nicht höher als 0,4 Gew.-% betragen sollte. Dies deckt sich mit Erkenntnissen aus dem Projekt ENCOMB, wonach eine Detektionsgrenze von 0,5 Gew.-% Feuchteaufnah-me gefordert wird [62].
Neuere Untersuchungen von Markatos bestätigen die negativen Effekte der Feuchte im CFK-Laminat auf die Klebefestigkeit [63]. Es kann eine Abnahme der Bruchzähigkeit von 25 % an dem Epoxidharz M21E mit einer Feuchteaufnahme von 1,32 Gew.-% beobachtet werden.
Canal zeigt mit Hilfe einer Simulation, dass für einen epoxidbasierten Filmklebstoff die Was-serdiffusion in den Klebespalt hauptsächlich durch die Geschwindigkeit der Feuchteabgabe des CFK-Laminats bestimmt wird [64]. Die Feuchte diffundiert von einem gesättigten Füge-partner während des Klebeprozesses in den Klebespalt. Der Filmklebstoff hat ein höheres Absorptionsvermögen als das CFK und entzieht dem CFK die Feuchte. Die Geschwindigkeit, in der die Feuchte im Klebespalt aufgenommen wird, ist folglich limitiert durch die Ge-schwindigkeit der Feuchteabgabe des CFK-Materials.
In dieser Arbeit wird die Eignung der Infrarot-Spektroskopie zur Detektion der Feuchteauf-nahme untersucht. Die FTIR-Spektroskopie charakterisiert das Harzsystem maximal bis zur ersten Faserlage, da die Fasern von den Energien in diesem Wellenlängenbereich nicht durch-drungen werden können. Für die Detektion von Feuchte im Laminat stellt diese Limitierung der Informationstiefe ein Problem dar. In der Realität besitzen Bauteile keine homogene Ver-teilung der Feuchtekonzentration über den Bauteilquerschnitt. Durch Änderungen der Umge-bungsbedingungen, die ein Bauteil erfährt, ist besonders der Randbereich betroffen. Es findet zügig eine Annäherung der Feuchtesättigung des Randbereichs an die Umgebungsbedingun-gen statt. Durch diesen Vorgang ist der Feuchtegehalt des Randbereichs nicht mehr repräsen-tativ für die Gesamtfeuchtesättigung des Bauteils. Dies kann zu Fehlinterpretation führen, beispielsweise durch einen nassen Randbereich und einen trockenen Kern des Bauteils.
Um abschätzen zu können, wie die Verteilung der Feuchte im CFK-Laminat ausfällt, werden in dieser Arbeit Simulationen angewendet. Bei diesen handelt es sich um eindimensionale Modelle, welche die durchschnittliche Feuchteaufnahme und den Verlauf der Feuchtekon-zentration in Bauteildickenrichtung des Laminats berechnen.
Die Simulation basiert auf den Grundlagen der Fick´schen Gesetze. Die Diffusion von Wasser für Epoxidharze kann mit ihnen in guter Annäherung bestimmt werden. Dies wurde bereits in mehreren Arbeiten untersucht [46, 50, 60, 65, 66]. Wong beschreibt eine Abweichung von den Fick´schen Gesetzen durch zyklische Sorption und Desorption, Variationen des Aushär-tegrads sowie Oxidationsvorgängen [67].
Die Feuchteaufnahme Mt in Gewichtsprozent kann über die Zunahme der Masse gravimet-risch nach Gl. (2.1) ermittelt werden, wobei Md dem Gewicht des Laminats im trockenen Zu-stand und Mw dem Gewicht des Laminats nach Feuchteaufnahme entspricht.
𝑀𝑡 =𝑀𝑤− 𝑀𝑑
𝑀𝑑 ∙100 [𝐺𝑒𝑤. − %] (2.1)
Gl. (2.2) beschreibt die Diffusion der Feuchte mit einem konstanten Diffusionskoeffizienten D in Abhängigkeit der Zeit t und der Feuchtekonzentration c [68].
𝛿𝑐
𝛿𝑡 = 𝐷∇2 ∙𝑐 (2.2)
Für den eindimensionalen Fall reduziert sich die Gleichung mit der Raumkoordinate x in Di-ckenrichtung des Laminats und dem Diffusionskoeffizient Dx in Dickenrichtung des Laminats zu [56]:
𝛿𝑐
𝛿𝑡 = 𝐷𝑥∙𝛿2∙𝑐 𝛿∙𝑥2
(2.3) Der Diffusionskoeffizient Dx in Dickenrichtung der Probe kann experimentell über die Ge-wichtszunahme bis zur vollständigen Sättigung nach Gl. (2.4) bestimmt werden. Dabei wird die Steigung k des linearen Verlaufs der Sättigungskurve Mt über der Wurzel der Zeit berech-net. Zur Bestimmung von Dx wird zusätzlich die maximal erreichbare Gewichtszunahme M∞
bei einer bestimmten relativen Luftfeuchte sowie die Dicke des Laminats h benötigt [49, 56].
𝐷𝑥 = 𝜋∙ℎ2
16∙𝑀∞2 ∙(𝑘)2 (2.4)
Die Arrhenius-Gleichung stellt mit Hilfe der Aktivierungsenergie EA und dem temperaturun-abhängigen Diffusionskoeffizient D0 einen Zusammenhang zu dem Diffusionskoeffizienten Dx nach Gl. (2.5) her, wobei T die absolute Temperatur und R die universale Gaskonstante ist.
𝐷𝑥 = 𝐷0𝑒(−𝐸𝑅∙𝑇𝐴) (2.5)
Die Auftragung von ln Dx nach 1/T entspricht der Steigung des Koeffizienten –EA/R. Durch Multiplikation mit R wird EA berechnet. Der temperaturunabhängige Diffusionskoeffizient D0
ist der Y-Achsenschnittpunkt und kann ebenfalls in der Auftragung von ln Dx nach 1/T be-stimmt werden.
Experimentelle Daten zeigen, dass die maximal aufgenommene Feuchte Mm nicht von der Temperatur abhängt, jedoch eine Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte rF der Umge-bung besitzt. Shen und Springer fanden eine Abhängigkeit von Mm von rF, die in Abhängig-keit der Konstanten a und b in Gl. (2.6) beschrieben werden kann [69].
𝑀𝑚 = 𝑎∙𝑟𝐹𝑏 (2.6)
Die Konstanten a und b werden in dieser Arbeit durch eine Funktionsanpassung mit der Me-thode der kleinsten Fehlerquadrate berechnet.