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Pflanzenfaser-Werkstoffe. Stand der Technik und Entwicklungsmöglichkeiten (FAT - Bericht Nr. 575)

Andreas Keller,
Eidgenössische Forschungsanstalt für Agrarwirtschaft und Landtechnik (FAT)
Tänikon 8356 Ettenhausen

Die Verstärkung von Kunststoffen mit Pflanzenfasern leistet einen Beitrag zur Minderung der Entsorgungsproblematik von Werkstoffen, da sich Pflanzenfaserwerkstoffe besser als Glasfaserwerkstoffe wiederverwerten oder auch verbrennen lassen. Werden biologisch abbaubare Kunststoffe mit Pflanzenfasern verstärkt, bleibt der Werkstoff biologisch abbaubar und kann auch für lasttragende Funktionen eingesetzt werden. Das Verstärkungspotential bisher eingesetzter Hanffasern wird nicht ausgeschöpft, da die Fasern als Bündel vorliegen und damit keine homogene Faser-Matrix-Verteilung möglich ist. Die Degummierung der Faserbündel führt zu Einzelfasern, mit denen Verstärkungseffekte erreicht werden, die nahezu bei jenen von Glasfasern liegen. So konnte die Zugfestigkeit eines biologisch abbaubaren Kunststoffes durch die Verstärkung mit 27 Volumenprozent degummierter Hanffasern nahezu verdoppelt und die Steifigkeit vervierfacht werden. Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften liesse sich erreichen, wenn die im Bauteil vorliegende mittlere Länge der Pflanzenfasern erhöht werden könnte. Dazu sind neuartige, faserschonende Herstellverfahren zu entwickeln. Ein zunehmender Fasergehalt bewirkt nicht nur erhöhte mechanische Eigenschaften, sondern auch eine Beschleunigung des biologischen Abbaus des Verbundwerkstoffes in Erdumgebung. Damit lässt sich auch das Abbauverhalten von Bauteilen - wie zum Beispiel Anzuchttöpfen im Gärtnereibereich - anwendungsspezifisch einstellen.

Abb. 1:

Links:
REM-Bild von mechanisch aufgeschlossenen Hanf-Fasern. 20 bis 50 Einzelfasern sind mit Kittsubstanzen zu einem Faserbündel verkittet.
Rechts:
Mittels Dampfdruck aufgeschlossene Hanf-Fasern sind durch die Entfernung des Grossteils der Kittsubstanzen gut vereinzelt. Deren Oberfläche erscheint glatter als jene der mechanisch aufgeschlossenen Fasern.

Abb. 2:

Das linke REM-Bild zeigt eine Bruchfläche eines mit 25 Gewichtsprozent MEC-Fasern verstärkten CopolyesterVerbund-werkstoffes. Die Einzelfasern der Bündel wurden durch den Extrusions- und Spritzguss-prozess nicht aufgelöst, während die mit Dampfdruck aufgeschlossenen Fasern des Werkstoffes im rechten Bild gut verteilt vorliegen.

Stand der Technik
Pflanzen weisen Elemente auf, die eine lasttragende Funktion ausüben. Häufig sind diese Elemente als Faserverbundstoffe ausgebildet. So bestehen zum Beispiel Holz oder Stengel von Gräsern aus Cellulosefasern, die in Lignine, Pektine und Hemicellulosen eingebettet sind. Viele dieser natürlich vorkommenden Verbundwerkstoffe weisen mechanische Eigenschaften auf, die einen Einsatz in technischen Bereichen zulassen. Allerdings ist deren Anwendung für die Konstruktion von Bauteilen mit zum Beispiel unregelmässigen, nicht ebenen Flächen aufgrund geringer Umformbarkeit eingeschränkt. Um diesen Nachteil zu umgehen, können Naturfasern über mechanische Verfahren aus der Pflanze extrahiert und mit natürlichen oder synthetischen Polymeren zu neuen Verbundwerkstoffen zusammengefügt werden, die industriell verarbeitbar sind. Naturfaservliese, in heutiger Anwendung üblicherweise mit Polypropylen als Matrix imprägniert, werden bereits industriell zu Formpressteilen verarbeitet. So stellen unter anderem die Firmen Audi, BMW, Ford, Seat und VW Tür- und Seitenverkleidungen, Kofferraum-Seitenpanels und -abdeckungen aus Naturfaserverbunden her [1]. Gegenüber Glasfaser-Werkstoffen lassen sich geringere Bauteilgewichte und ein günstigeres Crashverhalten realisieren. Neben diesen Verbundwerkstoffen, die zu flächigen Bauteilen verarbeitet werden, gibt es auch Anstrengungen für die Entwicklung pflanzenfaserverstärkter Spritzgusswerkstoffe, die sich für die Herstellung von Kleinteilen bis zur Grösse eines Getränkeharasses eignen. Neben dem klassischen verstärkbaren Kunststoff Polypropylen finden hier auch Stoffe auf der Basis von Naturharzen oder Lignin Anwendung. Die Anbau- und Erntetechnik für heimische Faserpflanzen wie Flachs und Hanf sind weitgehend entwickelt und lassen sich auf industrielle Bedürfnisse anpassen. Der Markt für solche Werkstoffe ist allerdings noch kaum ausgebildet. Es gilt nun durch Innovationen bei der Werkstoffentwicklung Produkte zu schaffen, die im Verbundwerkstoff-Markt neue Impulse schaffen.

Faserproduktion
Der Erntezeitpunkt beeinflusst bei der Produktion von Bastfasern die chemische Zusammensetzung des Bastes entscheidend. Diese beeinflusst ihrerseits die Decortisierbarkeit und die Degummierbarkeit des Bastes. Der für die Herstellung mechanisch separierter Hanffasern übliche Erntezeitpunkt der technischen Reife (bei der männlichen Blüte) wurde aufgrund des hohen Ertrages und der guten Decortisierbarkeit festgelegt. Mechanisch separierte Fasern finden Anwendung als Dämmstoffe, Grobtextilien oder Füllstoffe in Kunststoffen.Der zum Erntezeitpunkt der technischen Reife hohe Ligningehalt erschwert die Degummierung des Bastes für die Herstellung von Einzelfasern, die für die Verstärkung von biologisch abbaubaren Polymeren oder für die Produktion von Feintextilien favorisiert werden. Der um 5,4 % niedrigere Ligningehalt bei dem früheren Erntezeitpunkt der Blütenbildung geht allerdings mit einem bei diesem Zeitpunkt um 12 % niedrigeren Faserertrag und einer um 25 % schlechteren Decortisierbarkeit einher. Ob der niedrigere Ligningehalt diese Nachteile der frühen Ernte rechtfertigt, müssen Degummierversuche an Bast unterschiedlichen Ligningehaltes zeigen.

Compoundierung
Die Compoundierung von degummierten Hanffasern mit biologisch abbaubaren, thermoplastischen Polymeren ist bis zu einem Faservolumengehalt von 50 % auf herkömmlichen Zweischneckenextrudern möglich. Degummierte Bastfasern sind nicht schüttfähig, weshalb sie sich mit herkömmlichen Einrichtungen nicht dosieren lassen. Als Vliese oder gesponnener Faden können sie durch die Schneckenrotation automatisch über die Faserdosieröffnung eingezogen werden. Für eine industrielle Umsetzung des Verfahrens, wäre die Entwicklung einer Dosiereinheit für nicht schüttfähige Fasern von Vorteil, da die teure Vlies- oder Garnproduktion umgangen werden könnte. Damit die Fasern beim Compoundieren geschont werden, muss die Compoundierstrecke möglichst kurz sein und ohne Mischelemente auskommen.

Mechanische Eigenschaften Mit Copolyesteramid-Hanffaser-Verbundwerkstoffen wird ein E-Modul erreicht, der einen Einsatz dieser abbaubaren Kunststoffe für grossflächige steife Bauteile zulässt. Die erreichte Festigkeit und Schlagzähigkeit erlaubt konstruktive Anwendungen, bei dünnwandigen Bauteilen ist allerdings Vorsicht geboten. Die Festigkeit könnte erhöht werden, wenn die Fasern im Bauteil länger als die gemessenen 0,53 mm sind. Um dies zu erreichen, muss das Compoundierverfahren grundlegend geändert werden. Denkbar ist die Pultrusion schwach verdrillter Bastfasergarne oder eine Direktcompoundierung in der Spritzgussmaschine.

Biologischer Abbau
Nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch das Abbauverhalten biologisch abbaubarer Polymere wird durch die Compoundierung mit Bastfasern beeiflusst. Dies hat für die Entwicklung von Produkten wie zum Beispiel Anzucht- und Pflanztöpfen aus dem Gärtnereibereich Bedeutung, die ein wohldefiniertes Abbauverhalten verlangen.

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Artikel modifiziert Montag 3. November 2003 14:19, Erscheinungsdatum Montag 3. November 2003 13:40

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