WO2012126927A1 - Harze oder harzsysteme sowie faserverbunde - Google Patents

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WO2012126927A1
WO2012126927A1 PCT/EP2012/054950 EP2012054950W WO2012126927A1 WO 2012126927 A1 WO2012126927 A1 WO 2012126927A1 EP 2012054950 W EP2012054950 W EP 2012054950W WO 2012126927 A1 WO2012126927 A1 WO 2012126927A1
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fiber
fiber composite
composite material
component
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Heinrich Kapitza
Christian Seidel
Lutz Völker
Heinrich Zeininger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C08K5/16—Nitrogen-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08K5/16—Nitrogen-containing compounds
    • C08K5/29—Compounds containing one or more carbon-to-nitrogen double bonds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to resins or resin systems according to the preamble of independent claim 1, fiber composites according to the preamble of independent claim 3 and components comprising fiber composites, according to the independent claim 6, in particular turbine components.
  • Fiber composites are increasingly used for lightweight construction and lightweight constructions.
  • the fiber composites consist of individual fibers or fiber mats, which are impregnated in resin and thus form a fiber composite.
  • the fiber composite materials are characterized in comparison to metallic construction materials in that they have a much lower specific density with higher specific shear ⁇ mechanical strength.
  • fiber composites are increasingly being used in dynamically loaded components / constructions.
  • ⁇ turbine components for power generation including wind turbines
  • the resins used in the fiber composite are exposed to high hydrolytic stresses due to water vapor at high temperatures.
  • many fiber composites show significant aging effects in terms of fatigue ih ⁇ er mechanical properties. The result is a strong Re ⁇ duzierung the mechanical properties, whereby the fiber Composite materials are unsuitable for these purposes so far.
  • the resin-based fiber composites for steam turbine blades, they can be provided with a water and water vapor impermeable coating.
  • the protective layer is frequently destroyed. Subsequently, water / steam can then penetrate into the fiber composite material, reduce the fiber-matrix connection and ultimately destroy it.
  • the resin according to the invention in particular epoxy resin, vinyl ester resin, cyanate ester resin or unsaturated polyester resin or resin system is characterized in that the resin or the resin system to increase its hydrolytic stability contains a protective additive to water vapor, wherein the protective additive at least one organic nitrogen compound, in particular polycarbodiimide or 2,6 diisopropyphenylcarbodiimide.
  • the resin system is understood to mean a system consisting of several resins.
  • the Bestän ⁇ speed against water and water vapor is significantly increased temperatures at high temperature.
  • the long-term stability with respect to the modulus of elasticity (modulus of elasticity), the flexural strength and the bending elongation relative to the resin without protective additive increases significantly.
  • the protective additive improves in particular the dynamic load capacity of the resin or of the resin system.
  • the fiber composite material of the invention comprising Wenig ⁇ least a resin or resin system, and at least one fiber or fiber mat, is characterized in that the resin or resin system to increase its stability against Superheated steam containing a protective additive to water vapor, said resistant additive comprises at least one organic stick ⁇ carbon compound, in particular 2,6 or polycarbodiimide diisopropyl sopropyphenylcarbodiimid.
  • fiber material are all known fiber materials, in particular glass fiber, carbon fiber, aramid fiber and other polymeric and inorganic fibers in question.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the proportion of the protective additive is less than 5 wt .-%, in particular less than 1 wt .- of the resin / resin system.
  • Vehicle component or component for electronic devices characterized in that the component as a whole or a part of the component, of a fiber composite material with a resin or resin system according to the invention or with a fiber composite material according to the invention with such a resin is formed.
  • it is pos ⁇ lich to train long-term stable lightweight components.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the component is a turbine blade or a part of a turbine blade, in particular a steam turbine.
  • the resin according to the invention or the fiber composite material according to the invention is particularly suitable for the formation of turbine blades in steam turbines, as well as high temperatures ⁇ 150 ° C occur in the steam turbine in addition to very high water vapor humidities, which so far the use of fiber composite materials was excluded.
  • the resin / resin system according to the invention or the fiber composite material according to the invention with the increased resistance to water vapor, the use of fiber composite materials for steam turbines, in particular steam turbine blades, is now possible for the first time.
  • FIG. 2 shows a time comparison of the flexural strength of a normal epoxy resin versus an epoxy resin with protective additive against water vapor;
  • FIG. 3 shows a time comparison of the bending elongation between a normal epoxy resin and an epoxy resin with protective additive against water vapor;
  • - Figure 4 shows the time course of the modulus of elasticity for a fiber composite material (CFRP) with a resin without and with protective additive to water vapor
  • - Figure 5 shows the time course of the bending strength for a fiber composite material with a resin without and with protective additive to water vapor.
  • the protective additive to the resin / resin ⁇ system and to determine the fiber composite material are respectively a sample of a resin or resin system or a fiber composite material with and without protective additive, certain exposed to ambient conditions. Subsequently, the modulus of elasticity, the bending strength and the bending strain are measured at specific times and plotted against each other in diagrams. The results are shown below in the diagrams 1 to 5.
  • the resin used is a commercial epoxy resin called CY179.
  • a protective additive a polycarbodiimide was used in each case with a wt .-% share of 1%. The samples were each stored in a 80 to 150 ° C ° C hot ⁇ steam atmosphere over a period of 30 days.
  • Water vapor was chosen because the combined exposure of moisture in the form of steam and heat is particularly critical to resins.
  • the measurements of the elastic modulus, bending strength and the Bie ⁇ gedehnung were made at defined time points to the beginning of the measurement, after 10 and after 30 days.
  • Diagram 1 shows the course of the modulus of elasticity for an epoxy resin CY179 with and without protective additive against water vapor atmosphere.
  • the left part of the diagram shows the time course for the resin without protective additive. It is easy to see how the modulus of elasticity decreases significantly with increasing time. After 30 days, the elastic modulus is only about 2/3 of the original modulus of elasticity.
  • the course of the modulus of elasticity for the same epoxy resin with a Addition of 1 weight polycarbodiimide ⁇ represents Darge as a protective additive.
  • Figure 2 shows the time course for the bending strength for the same samples.
  • the sample with the epoxy resin oh ⁇ ne protective additive shows a strong decrease in bending strength with time. After 30 days, the bending strength is only about 20% of the original value.
  • the flexural strength of the epoxy resin with the polycarbodiimide as a protective additive decreases only slightly (right side). After 30 days, the flexural strength is still around 80% of the original flexural strength.
  • FIG. 3 shows the bending strain for the samples already described in FIGS. 1 and 2. It can be seen that the bending strain of the epoxy resin without protective additive decreases very much over time (left side). After 30 days, the bending strain is only about 20% of the original bending strain. The situation is different with the epoxy resin to which polycarbodiimide is added as a protective additive (right side). Here is still a bending strain of about 75% of the starting value available after 30 days. Thus, as clearly shown by all three graphs, by adding small amounts of a protective additive, the resistance of the resin to water vapor / atmosphere can be substantially improved, preferably at high temperatures.
  • the potential use of the resin can be significantly extended and it is especially a use in dynamically loaded components / structures possible.
  • Similar positive results can be achieved as a protective additive with other or ⁇ ganic nitrogen compounds.
  • favorable stabilities result for polycarbodiimide or diisopropyphenylcarbodiimide.
  • the proportion of the protective additive is preferably low, ie to choose below 5 wt .-%, in particular less than 1 wt .-% of the resin / resin system. Higher parts by weight lead to no further improved stability.
  • the positive property of the protective additive can also be seen in fiber composites having a resin with protective additive.
  • the fiber composites are a carbon fiber reinforced plastic, which is formed by means of the already described epoxy resin CY179.
  • the proportion of the protective additive to water vapor is again 1% by weight, based on the resin. Both samples were again viewed at 80 ° C, in water vapor, over a period of 30 days. The results of these measurements are shown below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • Figure 4 shows the time course of the modulus of elasticity for a fiber composite material with and without protective additive to water vapor. On the left side, the course of the e-
  • the effect of the protective additive on the fiber composite material when viewing the flexural strength becomes clearer.
  • the time course of the bending strength for the same fiber composite material is shown in FIG. It can be seen here that the flexural strength of the fiber composite material without protective additive (left side of the diagram) drops markedly over time. After 30 days, the flexural strength of the fiber composite material is only just under 80% of the original value. In contrast, the flexural strength of the fiber composite with protective additive decreases only very slightly. After 30 days, the flexural strength is still 99% of the original flexural strength. Thus, it can also be stated here that the addition of a protective additive in fiber composites contributes to a significant increase in flexural strength.
  • the admixture of the protective additive with respect to water vapor degradation should also be less than 5% by weight, in particular less than 1% by weight, based on the resin, in the case of the fiber composite material. Higher admixtures of protective additive lead to no improvement in stability to water vapor.
  • the addition of protective additive has a similar positive effect on the stability to water vapor for all conventional fiber materials, in particular glass fiber, carbon fiber, aramid fiber and / or polymers or organic fibers.
  • the improved by means of protective additive fiber composite material is particularly suitable for components that are permanently used in humid / vaporous environment.
  • the fiber composite material according to the invention enables the formation of turbine blades or of parts of turbine blades, in particular in steam turbines.
  • high moisture contents in pure water vapor atmosphere and high temperatures (circa indication step 150 ⁇ ⁇ on.
  • These provide for a composite fiber material with an epoxy resin without a protective additive to steam in a very rapid decomposition of the fiber composite material. Therefore, the use of fiber composite materials
  • the use of fiber composite materials with a protective ad- ditive can reduce the dynamic load capacity of the components and their
  • the fiber composite according to the invention is suitable for all components which are used permanently in a moist / dam-shaped environment.
  • turbine components, vehicle components or components for electronic devices can be formed by the use of the fiber composite material according to the invention significantly more resistant to water vapor atmosphere.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Harz, insbesondere bevorzugt ein Epoxydharz, Vinylesterharz, Cyanatesterharz oder ungesättigtes Polyesterharz oder Harzsysteme, wobei das Harz oder das Harzsystem zur Erhöhung seiner hydrolytischen Stabilität gegenüber Wasserdampf, ein Schutzadditiv enthält. Durch das Schutzadditiv kann die Beständigkeit des Harzes in Wasserdampf erhöht werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Faserverbundwerkstoff, welcher ein solches Harz oder ein solches Harzsystem umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, welches ganz oder teilweise aus einem solchen Faserverbundwerkstoff besteht.

Description

Beschreibung
Harze oder Harzsysteme sowie Faserverbunde
Die Erfindung betrifft Harze oder Harzsysteme nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1, Faserverbunde nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 3 sowie Bauteile, umfassend Faserverbunde, nach dem unabhängigen Patentanspruch 6, insbesondere Turbinenbauteile.
Für Leichtbauanwendungen und Leichtbaukonstruktionen werden zunehmend harzbasierte Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Die Faserverbundwerkstoffe bestehen aus einzelnen Fasern oder Fasermatten, welche in Harz getränkt werden und so einen Faserverbund ausbilden. Die Faserverbundmaterialien (Faserverbundkunststoffe) zeichnen sich im Vergleich zu metallischen Konstruktionswerkstoffen dadurch aus, dass sie eine deutlich geringere spezifische Dichte bei gleichzeitig höherer spezifi¬ scher mechanischer Festigkeit aufweisen.
Neben klassischen, statischen Anwendungen, kommen Faserverbundwerkstoffe zunehmend auch bei dynamisch belasteten Bauteilen/Konstruktionen zum Einsatz. Beispiele sind Turbinen¬ komponenten für die Energieerzeugung (inklusive Windrädern), Bauteile für (Schienen-) Fahrzeuge, Komponenten für elektronischer Geräte (Trafos, Generatoren, Motoren) oder in der Energieerzeugung (z. B. Gestelle für Photovoltaik-Elemente ) etc. In einigen Anwendungs fällen wie beispielsweise bei Dampfturbinen oder Außenanwendungen werden die im Faserverbundwerkstoff eingesetzten Harze, hohen hydrolytischen Beanspruchungen durch Wasserdampf bei hohen Temperaturen ausgesetzt. Bei derartigen Beanspruchungen, insbesondere bei gleichzeitiger Einwirkung von Wärme und Feuchtigkeit insbesondere in Wasserdampfatmonphäre , zeigen viele Faserverbundwerkstoffe deutliche Alterungseffekte in Hinblick auf die Dauerfestigkeit ih¬ rer mechanischen Eigenschaften. Die Folge ist eine starke Re¬ duzierung der mechanischen Eigenschaften, wodurch die Faser- Verbundwerkstoffe bislang für diese Einsatzzwecke ungeeignet sind.
In vielen Bereichen, in welchen die Stabilität gegüber Was- serdampf von Faserverbundwerkstoffen (polymeren Faserverbundwerkstoffen) zu gering ist, werden daher weiterhin klassische metallische Werkstoffe eingesetzt (Leichtmetalle wie Aluminium, Stähle oder Titanlegierungen beispielsweise für Dampfturbinenschaufeln) . Das Leichtbaupotential von harzbasierten Fa- serverbundwerkstoffen kann in diesen Fällen bislang nicht genutzt werden.
Um die harzbasierten Faserverbundwerkstoffe für Dampfturbinenschaufeln nutzbar zu machen, können diese mit einer was- ser- und wasserdampfundurchlässigen Beschichtung versehen werden. Allerdings kommt es häufig aufgrund von Tropfenschlagerosion an den Turbinenschaufeln bzw. an deren Oberfläche zur Zerstörung der Schutzschicht. Nachfolgend kann dann Wasser/-dampf in den Faserverbundwerkstoff eindringen, die Faser-Matrix Anbindung reduzieren und diesen letzlich zerstören .
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vor¬ liegenden Erfindung, ein Harz auszubilden, welches eine ver- besserte Beständigkeit gegenüber Wasserdampf aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Faserverbundwerkstoff auszubilden, mit einer ebenfalls erhöhten be- ständigkeit gegenüber Wasser - und Wasserdampf bevorzugt bei hohen Temperaturen <150°C. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil auszubilden, welches zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist und eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Wasser/-Dampf aufweist . Die Aufgabe wird hinsichtlich des Harzes durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird hinsichtlich des Faserverbundwerkstoffes durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 3 gelöst.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Harz, insbesondere Epoxydharz, Vinyles- terharz, Cyanatesterharz oder ungesättigtes Polyesterharz oder Harzsystem zeichnet sich dadurch aus, dass das Harz oder das Harzsystem zur Erhöhung seiner hydrolytischen Stabilität ein Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf enthält, wobei das Schutzadditiv wenigstens eine organische StickstoffVerbindung, insbesondere Polycarbodiimid oder 2,6 Diisopropyphenyl- carbodiimid umfasst. Als Harzsystem wird dabei ein System, bestehend aus mehreren Harzen, verstanden.
Durch die Beimischung des Additivs zum Harz wird die Bestän¬ digkeit gegenüber Wasser- und Wasserdampf bei hohen Tempera- turen deutlich erhöht. Insbesondere nimmt die Langzeitstabilität bezüglich des Elastizitätsmodul (E-Modul), der Biegefestigkeit und der Biegedehnung gegenüber dem Harz ohne Schutzadditiv deutlich zu. Hierdurch ist es erstmals möglich, das Harz auch über einen längeren Zeitraum einer Wasserdampf- Umgebung bei hohen Temperaturen <150°C auszusetzen, ohne dass es zur Zersetzung des Harzes kommt. Durch das Schutzadditiv wird insbesondere die dynamische Belastbarkeit des Harzes bzw. des Harzsystems verbessert. Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff, umfassend wenigs¬ tens ein Harz oder Harzsystem, sowie wenigstens eine Faser oder Fasermatte, zeichnet sich dadurch aus, dass das Harz oder Harzsystem zur Erhöhung seiner Stabilität gegenüber Heißdampf ein Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf enthält, wobei das Schutzadditiv wenigstens eine organische Stick¬ stoffVerbindung, insbesondere Polycarbodiimid oder 2,6 Dii- sopropyphenylcarbodiimid umfasst. Durch die Zugabe des Hydro- lyseSchutzadditivs wird sowohl das für die Faserverbundmaterialien eingesetzte Harz als auch der harzbasierte Faserver¬ bundwerkstoff in seiner Stabilität gegenüber Wasserdampf deutlich verbessert.
Als Fasermaterial kommen alle bekannten Fasermaterialien, insbesondere Glasfaser, Kohlefaser, Aramidfaser und weitere polymere und anorganische Fasern in Frage.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Anteil des Schutzadditivs weniger als 5 Gew.-%, insbeson- dere weniger als 1 Gew.- des Harzes/Harzsystems ausmacht.
Eine Zugabe des Schutzadditivs in dieser Größenordnung ergibt eine besonders gute Beständigkeit gegenüber Wasser und Wasserdampf des Faserverbundwerkstoffs. Das erfindungsgemäße Bauteil, insbesondere Turbinenbauteil,
Fahrzeugbauteil oder Bauteil für elektronische Geräte, zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil als ganzes oder ein Teil des Bauteils, aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem erfindungsgemäßen Harz oder Harzsystem bzw. mit einem erfin- dungsgemäßen Faserverbundwerkstoff mit einem solchen Harz, ausgebildet ist.
Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Harzes oder Harzsystems bzw. eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs für die Bauteile weisen diese eine deutlich gesteiger- te Beständigkeit gegenüber Wasserdampf, insbesondere bei dynamischen Belastungen der Bauteile/Konstruktionen auf. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Harze/Harzsysteme bzw. Faserverbundwerkstoffe wird es somit erstmals möglich,
Leichtbauanwendungen bzw. Leichtbaukonstruktionen auch in Wasserdampf-Umgebungen zu verwenden, insbesondere bei dynamischen Belastungen, ohne dass es zu einer wesentlichen Abnahme der Festigkeit insbesondere des Elastizitätsmodul der Biege- festigkeit, oder der Biegedehnung kommt. Somit ist es mög¬ lich, langzeitstabile Leichtbauteile auszubilden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel oder ein Teil einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Dampfturbine ist. Das erfindungsgemäße Harz bzw. der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff eignet sich besonders gut für die Ausbildung von Turbinenschaufeln in Dampfturbinen, da im Bereich der Dampfturbine neben sehr hohen Wasserdampf-Feuchtigkeiten auch hohe Temperaturen <150°C auftreten, wodurch bislang der Einsatz von Faserverbundmaterialien ausgeschlossen war. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Harzes/Harzsystems bzw. des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs mit der gesteigerten Beständigkeit gegenüber Wasserdampf ist nun erstmals der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen für Dampfturbinen, insbesondere Dampfturbinenschaufein, möglich.
Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung wer- den im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigt:
- Figur 1, den zeitlichen Verlauf des Elastizitätmoduls (E-Modul) für einen normalen Epoxydharz gegenüber einem
Epoxydharz mit Schutzadditiv gegenüber Wasserdampfm;
- Figur 2 einen zeitlichen Vergleich der Biegefestigkeit eines normalen Epoxydharzes gegenüber einem Epoxydharz mit Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf;
- Figur 3 einen zeitlichen Vergleich der Biegedehnung zwischen einem normalen Epoxydharz und einem Epoxydharz mit Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf;
- Figur 4 den zeitlichen Verlauf des E-Moduls für einen Faserverbundwerkstoff (CFK) mit einem Harz ohne und mit Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf und - Figur 5 den zeitlichen Verlauf der Biegefestigkeit für einen Faserverbundwerkstoff mit einem Harz ohne und mit Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf.
Um die Auswirkungen des Schutzadditivs auf das Harz/das Harz¬ system und den Faserverbundwerkstoff ermitteln zu können, werden jeweils eine Probe eines Harzes bzw. Harzsystems oder eines Faserverbundwerkstoffes mit und ohne Schutzadditiv, be- stimmten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Anschließend werden zu konkreten Zeitpunkten jeweils der Elastizitätsmodul, die Biegefestigkeit und die Biegedehnung gemessen und in Diagrammen gegeneinander aufgetragen. Die Ergebnisse sind nachfolgend in den Diagrammen 1 bis 5 wiedergegeben. Bei dem verwen- deten Harz handelt es sich um ein handelsübliches Epoxydharz mit der Bezeichnung CY179. Als Schutzadditiv wurde jeweils ein Polycarbodiimid mit einem Gew.-% Anteil von 1 % verwendet. Die Proben wurden jeweils in 80 bis 150°C°C heißem Was¬ serdampfatmosphäre über einen Zeitraum von 30 Tagen ausgela- gert. Wasserdampf wurde deshalb ausgewählt, weil die kombinierte Belastung von Feuchtigkeit in Form von Dampf und Wärme besonders kritisch für Harze bzw. Harzsystem ist. Die Messungen des Elastizitätsmodul, der Biegefestigkeit sowie der Bie¬ gedehnung erfolgten zu definierten Zeitpunkten, zum Beginn der Messung, nach 10 und nach 30 Tagen.
Zu den einzelnen Messergebnissen wird in den Diagrammen jeweils ein Fehlerbalken dargestellt, welcher die Standartab¬ weichung angibt. Diagramm 1 zeigt den Verlauf des E-Moduls für ein Epoxydharz CY179 mit und ohne Schutzadditiv gegenüber Wasserdampfatmo- sphäre. Im linken Teil des Diagramms ist der zeitliche Verlauf für das Harz ohne Schutzadditiv dargestellt. Es ist gut zu erkennen, wie der Elastizitätsmodul mit zunehmender Zeit deutlich abnimmt. Nach 30 Tagen beträgt der Elastizitätsmodul nur noch rund 2/3 des ursprünglichen Elastizitätsmoduls. Im Gegensatz dazu ist im rechten Teil des Diagramms der Verlauf des Elastizitätsmoduls für das gleiche Epoxydharz mit einer Zugabe von 1 Gew.- Polycarbodiimid als Schutzadditiv darge¬ stellt. Wie das Diagramm zeigt, ergibt sich über den zeitli¬ chen Verlauf keine Abnahme, sondern eine leichte Erhöhung des Elastizitätsmoduls. Es zeigt sich somit, dass durch die Bei- mengung eines geringen Anteils (1 Gew.-%) an Polycarbodiimid als Schutzadditiv eine deutlich verbesserte Stabilität hin¬ sichtlich des E-Moduls erreicht wird.
Figur 2 zeigt für die gleichen Proben den zeitlichen Verlauf für die Biegefestigkeit. Bei der Probe mit dem Epoxydharz oh¬ ne Schutzadditiv (linke Seite) zeigt sich eine stark Abnahme der Biegefestigkeit mit der Zeit. Nach 30 Tagen beträgt die Biegefestigkeit nur noch ca. 20% des ursprünglichen Wertes. Im Gegensatz dazu nimmt die Biegefestigkeit bei dem Epoxyd- harz mit dem Polycarbodiimid als Schutzadditiv nur geringfügig ab (rechte Seite) . Nach 30 Tagen liegt die Biegefestigkeit noch bei rund 80 % der ursprünglichen Biegefestigkeit.
Ein ähnliches Ergebnis zeigt sich für die Biegedehnung. In Figur 3 ist die Biegedehnung für die bereits in Figur 1 und 2 beschriebenen Proben dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Biegedehnung beim Epoxydharz ohne Schutzadditiv mit der Zeit sehr stark abnimmt (linke Seite) . Nach 30 Tagen liegt die Biegedehnung nur noch bei ca. 20 % der ursprünglichen Biegedehnung. Anders verhält es sich bei dem Epoxydharz, welchem Polycarbodiimid als Schutzadditiv zugefügt ist (rechte Seite) . Hier ist nach 30 Tagen noch eine Biegedehnung von ca.75% des Startwertes vorhanden. Wie alle drei Diagramme somit deutlich zeigen, kann durch das Hinzufügen geringer Mengen eines Schutzadditivs die Beständigkeit des Harzes gegenüber Wasserdampf-/-atmosphäre bevorzugt bei hohen Temperaturen wesentlich verbessert werden. Hierdurch lässt sich das Einsatzpotential des Harzes deutlich erweitern und es ist insbesondere ein Einsatz bei dynamisch belasteten Bauteilen/Konstruktionen möglich. Ähnliche positive Ergebnisse lassen sich auch mit anderen or¬ ganischen StickstoffVerbindungen als Schutzadditiv erzielen. Insbesondere ergeben sich günstige Stabilitäten für Polycar- bodiimid oder Diisopropyphenylcarbodiimid . Der Anteil des Schutzadditivs ist dabei vorzugsweise gering, d. h. unter 5 Gew.-% insbesondere unter 1 Gew.-% des Harzes/Harzsystems zu wählen. Höhere Gewichtsanteile führen zu keiner weiter verbesserten Stabilität.
Die positive Eigenschaft des Schutzadditivs lässt sich auch bei Faserverbundwerkstoffen, die ein Harz mit Schutzadditiv aufweisen, zeigen. Hierzu wurden wiederum zwei Proben eines Faserverbundwerkstoffes einmal mit und einmal ohne Additiv untersucht. Bei den Faserverbundwerkstoffen handelt es sich um einen Kohlenfaser verstärkten Kunststoff, welcher mittels des bereits beschriebenen Epoxydharzes CY179 ausgebildet ist. Der Anteil des Schutzadditivs gegenüber Wasserdampf beträgt wiederum 1 Gew.- bezogen auf das Harz. Beide Proben wurden wiederum bei 80 °c, in Wasserdampf, über einen Zeitraum von 30 Tagen betrachtet. Die Ergebnisse dieser Messungen werden nachfolgend anhand der Figuren 4 und 5 dargestellt.
Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des E-Moduls für einen Faserverbundwerkstoff mit und ohne Schutzadditiv gegenüber Wasserdampf. Auf der linken Seite ist der Verlauf des E-
Moduls für den Faserverbundwerkstoff ohne Schutzadditiv dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Elastizitäts¬ modul mit zunehmender Zeit kontinuierlich abnimmt. Im Gegensatz dazu zeigt der Elastizitätsmodul für den Faserverbund- Werkstoff mit Schutzadditiv mit der Zeit einen leicht ansteigenden Wert.
Die Unterschiede zwischen den beiden Proben sind nicht so signifikant wie beim reinen Harz. Dies liegt daran, dass die Fasern im Faserverbundwerkstoff im Wesentlichen für den Elas- tizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffs verantwortlich sind. Trotzdem kann durch die Verwendung eines Schutzadditivs eine verbesserte Stabilität erreicht werden. Insbesondere ist dabei zu beachten, dass die Messungen lediglich über einen Zeitraum von 30 Tagen erfolgten. Bei vielen Einsatz zwecken werden die Faserverbundwerkstoffe jedoch über Jahre hinweg genutzt. Hier wird sich der positive Einfluss des Schutzadditivs deutlicher bemerkbar machen und möglicherweise erst den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ermöglichen.
Deutlicher wird der Effekt des Schutzadditivs auf den Faserverbundwerkstoff beim Betrachten der Biegefestigkeit. Der zeitliche Verlauf der Biegefestigkeit für den gleichen Faser- Verbundwerkstoff ist in Figur 5 dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die Biegefestigkeit des Faserverbundwerkstoffs ohne Schutzadditiv (linke Seite des Diagramms) mit der Zeit deutlich absinkt. Nach 30 Tagen beträgt die Biegefestigkeit des Faserverbundwerkstoffes nur noch knapp 80 % des ursprüng- liehen Wertes. Im Gegensatz dazu nimmt die Biegefestigkeit des Faserverbundwerkstoffes mit Schutzadditiv nur sehr geringfügig ab. Nach 30 Tagen beträgt die Biegefestigkeit noch 99 % der ursprünglichen Biegefestigkeit. Somit lässt sich auch hier feststellen, dass der Zusatz eines Schutzadditivs bei Faserverbundwerkstoffen zu einer deutlichen Erhöhung der Biegefestigkeit beiträgt.
Alle dargestellten Messungen wurden mit Epoxydharz CY179 mit jeweils einer Zugabe von 1 Gew.- Polycarbodiimid als Schutz- additiv aufgenommen. Ähnliche Ergebnisse ergeben sich auch für Faserverbundwerkstoffe mit anderen organischen StickstoffVerbindungen als Schutzadditiv. Die Beimischung des Schutzadditivs gegenüber Wasserdampf-Degradation sollte auch beim Faserverbundwerkstoff möglichst unter 5 Gew.-%, insbe- sondere weniger als 1 Gew.-% bezogen auf das Harzes liegen. Höhere Beimischungen an Schutzadditiv führen zu keiner Verbesserung der Stabilität gegenüber Wasserdampf. Die Beimischung von Schutzadditiv hat für alle üblichen Faserwerkstoffe, insbesondere Glasfaser, Kohlefaser, Aramidfaser und/oder Polymere oder organische Fasern, einen ähnlichen positiven Effekt auf die Stabilität gegenüber Wasserdampf. Der mittels Schutzadditiv verbesserte Faserverbundwerkstoff eignet sich insbesondere für Bauteile, welche dauerhaft in feuchter/dampfförmiger Umgebung eingesetzt werden. Insbesondere ermöglicht der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff die Ausbildung von Turbinenschaufeln oder von Teilen von Turbinenschaufeln, insbesondere bei Dampfturbinen. Insbesondere in der Endstufe von Dampfturbinen treten hohe Feuchtegehalte in reiner Wasserdampfatmosphäre und hohe Temperaturen (ca.- 150ΛΟ auf. Diese sorgen bei einem Faserverbundwerkstoff mit einem Epoxydharz ohne Schutzadditiv gegenüber Dampf zu einer sehr schnellen Zersetzung des Faserverbundwerkstoffes. Daher ist der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen bei diesen dynamisch hoch belasteten Bauteilen bislang schwierig. Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen mit einem Schutzaddi- tiv kann die dynamische Belastbarkeit der Bauteile und ihre
Beständigkeit deutlich verbessert werden, wodurch der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen erstmals ermöglicht wird. Auf eine spezielle Beschichtung der Turbinenblätter wie sie bislang notwendig ist, kann dadurch verzichtet werden. Durch die Be- ständigkeit des Faserverbundwerkstoffes in Dampfatmosphäre bei bevorzugt hohen Temperaturen <150°C kann eine Beschädigung der Oberfläche der Turbinenschaufel nicht mehr wie bislang üblich zum Zersetzen der Turbinenschaufel führen. Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff bietet somit beim Ein- satz für Turbinenschaufeln eine deutlich erhöhte Betriebssicherheit gegenüber den bislang verwendeten Turbinenschaufeln.
Grundsätzlich eignet sich der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff für alle Bauteile die in feuchter/damförmiger Umge- bung dauerhaft eingesetzt werden. Insbesondere können Turbinenbauteile, Fahrzeugbauteile oder Bauteile für elektronische Geräte durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffes deutlich beständiger gegenüber Wasserdampfatmosphäre ausgebildet werden.

Claims

tentansprüche
Harz, insbesondere Epoxydharz, Vinylesterharz , Cyana- testerharz oder ungesättigtes Polyesterharz, oder Harzsystem
dadurch gekennzeichnet, dass
das Harz oder das Harzsystem zur Erhöhung seiner hydroly¬ tischen Stabilität gegen Wasserdampf ein Schutzadditiv enthält, wobei das Schutzadditive wenigstens eine organi sehe StickstoffVerbindung, insbesondere Polycarbodiimid oder 2,6 Diisopropyphenylcarbodiimid umfasst.
Harz oder Harzsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil des Schutzadditive weniger als 5 Gewichtsprozent, insbesondere weniger als 1 Gewichtsprozent des Har zes/ Harzsystems ausmacht.
Faserverbundwerkstoff, umfassend wenigstens ein Harz so wie wenigstens eine Faser oder Fasermatte
dadurch gekennzeichnet, dass
das Harz, zur Erhöhung seiner hydrolytischen Stabilität gegenüber Wasserdampf ein Schutzadditiv enthält, wobei das Schutzadditive wenigstens eine organische Stickstoff Verbindung, insbesondere Polycarbodiimid oder 2,6 Diisopropyphenylcarbodiimid umfasst .
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil des Schutzadditives weniger als 5 Gewichtspro zent, insbesondere weniger als 1 Gewichtsprozent des Har zes/ Harzsystems ausmacht.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Faserverbundwerkstoff Glasfaser, Kohlefaser, Aramid- faser und/oder eine polymere oder organischen Faser umfasst .
6. Bauteil, insbesondere Turbinenbauteil, Fahrzeugbauteil oder Bauteil für elektrotechnische Geräte,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil als Ganzes oder Teile des Bauteils, aus einem Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5 ausgebildet ist.
7. Bauteil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil eine Turbinenschaufel oder ein Teil einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Dampfturbine ist.
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