Vezelversterkte kunststof laminaten worden vaak beschouwd als de ideale materialen voor lichtgewicht toepassingen die een hoge stijfheid en sterkte vereisen. Vandaar dat deze laminaten dan ook veelvuldig gebruikt worden in windturbine bladen, vliegtuigen en vele andere toepassingen. Deze laminaten zijn doorgaans opgebouwd uit verschillende lagen, glas- of koolstofvezels, omringd door een epoxy matrix. Door de gelaagde structuur van deze materialen zijn delaminatie (= het van elkaar loskomen van de verschillende versterkingslagen) en brosse matrix breuk twee van de meest voorkomende schademechanismes in de praktijk. Gewoonlijk probeert men dit op te lossen door het toevoegen van thermoplastische materialen, reactieve rubbers, of rigide nanodeeltjes in de epoxy matrix. Het inmengen van deze materialen in de epoxy matrix heeft echter steeds een grote stijging van de viscositeit van het epoxyhars tot gevolg, wat nefast is voor het stromingsgedrag van het hars en kan leiden tot een slechte impregnatie van de versterkingsvezels. Daarenboven is het zeer moeilijk om een homogene verdeling te krijgen van deze ingemengde fases. Zowel slechte impregnatie als gevolg van de hoge viscositeit en een inhomogene verdeling van de ingemengde fase kan leiden tot een achteruitgang van mechanische eigenschappen van het composietlaminaat.

In dit doctoraat onderzoeken we een alternatieve methode om de delaminatieweerstand (interlaminaire taaiheid) van composietmaterialen te verhogen met behulp van nanovezel membranen geproduceerd via electrospinning. Nanovezel membranen zijn relatief nieuwe materialen. Het zijn vliesstoffen die samengesteld zijn uit zeer dunne vezels. Een nanovezel membraan is gelijkaardig aan een traditioneel textielmateriaal in die zin dat het relatief sterk is, dimensioneel stabiel en eenvoudig te hanteren. De dunne vezels zorgen echter wel voor unieke eigenschappen die niet of nauwelijks kunnen bekomen worden met traditionele textielmaterialen, zoals zeer kleine poriën (ongeveer 10x groter dan de vezeldiameter), een groot specifiek oppervlak (ongeveer 20 m2.g-1), een hoge porositeit (typisch rond de 90 %) en een goede connectie tussen de poriën. Deze combinatie van eigenschappen maken nanovezels onder meer geschikt voor het verhogen van de interlaminaire taaiheid van composietmaterialen. Het basisconcept van deze interlaminaire vertaaiing is eenvoudig. De nanovezels vormen namelijk een soort “voorgevormde thermoplastische fase” die vervolgens geïmpregneerd wordt met epoxyhars tijdens de composietproductie. Het resulterende nanovezel-vertaaide epoxy heeft een morfologie die zeer gelijkaardig is aan de co-continue morfologie die men kan terugvinden in traditionele vertaaiingssystemen die gebruikmaken van ingemengde thermoplastische kunststoffen. Het grote voordeel is echter dat er in dit geval geen ingewikkeld fasescheidingsproces noodzakelijk is om deze morfologie te bekomen. Daarenboven wordt de viscositeit van het hars ook niet beïnvloed.

Het concept van interlaminaire vertaaiing met nanovezels werd geïntroduceerd door Dzenis en Reneker en werd tijdens het verloop van dit doctoraat verder uitgewerkt in recente publicaties van onszelf en andere onderzoeksgroepen. Het is echter zo dat de resultaten die in de literatuur gerapporteerd worden vrij uiteenlopend zijn. Om deze verschillende resultaten te kunnen verklaren en nieuwe nanovezel- vertaaide composieten te kunnen ontwerpen, is het belangrijk om de algemene vertaaiingsmechanismes beter te begrijpen. Alleen op die manier zal men het ware potentieel van thermoplastische nanovezels voor deze toepassing kunnen ontdekken.

Volgend op een compacte literatuurstudie in hoofdstuk 1 en een overzicht van de gebruikt materialen en methoden in hoofdstuk 2, wordt in hoofdstuk 3 het algemene micromechanische vertaaiingsmechanisme voor nanovezel-vertaaide composieten voorgesteld. Dit mechanisme werd ontrafeld door het vertaaiende effect van nanovezels te analyseren op drie verschillende niveaus, welke overeen stemmen met de hiërarchische structuur van het composiet laminaat: het nanovezel-vertaaide epoxy, de nanovezel-vertaaide interlaminaire zone en het nanovezel-vertaaide laminaat. Een experimentele studie van het nanovezel-vertaaide epoxy toonde aan dat het vloeien van de nanovezels in de breukproceszone en nanovezeloverbrugging de breuktaaiheid van het epoxy substantieel verhogen. Op het niveau van de nanovezel-vertaaide interlaminaire zone werd aangetoond dat een grondige analyse van het scheurgedrag cruciaal is om het vertaaiiende effect van nanovezels te kunnen begrijpen en optimaliseren. Meer specifiek werd er ontdekt dat er onder bepaalde omstandigheden scheuren doorheen de dikte van de nanovezel-vertaaide interlaminaire zone kunnen ontstaan. Deze interlaminaire scheuring zorgen voor een groot deel van het vertaaiiend effect van nanovezels omdat er in deze scheuren nanovezel-overbruggingzones ontstaan. In de volgende hoofdstukken werd de nanovezel-vertaaide interlaminaire zone verder onderzocht. Er werden verschillende parameters geïdentificeerd die de interlaminaire taaiheid beïnvloeden, hetzij rechtstreeks of via een wijziging van het interlaminaire scheurpad.

De eerste parameter die onderzocht werd (hoofdstuk 4) was het effect van de morfologie van het electrogesponnen membraan. Het is immers goed gekend dat de morfologie van de thermoplastische of rubberfase bij traditionele vertaaiingsystemen een grote invloed heeft op de uiteindelijke taaiheid van het epoxy. In hoofdstuk 4 werden er vijf verschillenede morfologieën bestudeerd (nanovezels, microvezels, microbolletjes, films en gespraycoat PCL). Er werd aangetoond dat enkel poreuze morfologieën die aanleiding kunnen geven tot een fijne verdeling van PCL fases in het omliggende epoxy significante verbeteringen toestaan in zowel Mode I als Mode II taaiheid van het resulterende composiet. Van alle geteste poreuze structuren hadden de nanovezels de hoogste performantie.

De volgende parameter die onderzocht werd, was de interleaving methode (hoofdstuk 5). Hier werd aangetoond dat de zogenoemde double layer deposited configuratie (DLD), waarbij de nanovezels rechtstreeks op beide zijden van de glasvezelmat werden gesponnen, aanleiding gaven tot de hoogste Mode I interlaminaire taaiheid. In tegensstelling tot de single layer deposited configuratie waarbij slechts één zijde van de glasvezelmat besponnen werd of de interlayered configuratie waarbij een opzichzelfstaand nanovezelmembraan tussen twee glasvezelmatten werd geplaatst, gaf de DLD configuratie aanleiding tot de vorming van interlaminaire scheuren.

Hoofdstuk 6 en 7 handelen over het effect van de mechanische eigenschappen van de nanovezels op de interlaminaire breuktaaiheid. Hoofdstuk 6 focust op de ontwikkeling van SBS vezels, geproduceerd via electrospinning, met stuurbare mechanische eigenschappen. In eerste instantie werd een nieuwe electrospinoplossing geformuleerd met een relatief lage toxiciteit. Daarna werd een post-modificatie strategie ontworpen gebaseerd op triazolinedione click chemie. Hoewel de belangrijkste doelstelling van hoofdstuk 6 het ontwikkelen van SBS vezels met modificeerbare mechanische eigenschappen betrof, kan deze post-modificatie strategie ook worden gebruikt om een grote verscheidenheid aan functionele groepen te introduceren op de SBS vezels. De modificeerbaarheid van de mechanische eigenschappen van de SBS vezels werd bekomen gebruikmakend van MDI-TAD (een bi-functionele tad vernetter). De vernetting met MDI-TAD liet toe om de breukrek van de SBS vezels te wijzigen tussen de 90 en 700 %, en de E-modulus tussen de 11 MPa en de 130 MPa.

De mechanische eigenschappen van deze SBS vezels werden vervolgens gelinkt aan de interlaminaire taaiheid van de composiet laminaten (hoofdstuk 7). De variatie in mechanische eigenschappen had een groot effect op zowel de Mode I als de Mode II interlaminaire breuktaaiheid van de laminaten. SBS vezels met een hoge breukrek en lage modulus bleken minder geschikt te zijn voor interlaminaire vertaaiing. Ondanks het feit dat deze vezels een zeer hoge breukenergie hadden, was de energie-absorptie bij lage breukrekken verwaarloosbaar. SBS vezels met een lagere breukrek en hogere E-modulus resulteerden in een toename van de geabsorbeerde energie bij lage rek. Dit had een grote invloed op de taaiheid van de interlaminaire zone, evenals op de scheurgroei door deze interlaminaire zone, zowel onder Mode I als Mode II belasting.

Globaal genomen kan er geconcludeerd worden dat er belangrijke inzichten verworven zijn, gedurende dit doctoraat, die verder zullen bijdragen tot de vooruitgang van deze innovatieve materialen. Daarenboven werd duidelijk aangetoond dat men, gebruikmakend van deze inzichten, in staat is om nanovezel versterkte composietmaterialen met superieure delaminatieresistentie te produceren via harsinfusie, zonder te resulteren in een achteruitgang van andere mechanische eigenschappen.