Holz kann als Grundlage für Kunststoffe genutzt werden und lässt sich zu Verstärkungsfasern verarbeiten. Doch eignen sich diese auch für technische Bauteile?

Die Verstärkungswirkung der Fasern wurde unter anderem an Holzfaservliesen untersucht.

Faserverstärkung aus Holz und Cellulose für technische Bauteile

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Kunststoff Werkstoffe

Holz

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Nachwachsende Verstärkungsfasern

Die aktuell in Autos genutzten Materialverbunde lassen sich häufig nicht recyceln. Bei Mercedes setzt man deshalb seit Kurzem auf Monomaterialsandwiche.

Als Vergleichsbauteil für den in Serie genutzten naturfaserbasierten Multimaterialansatz und das kreislauffähige PET-Monomaterialsandwich wurde die biegebelastete Türtasche der Türverkleidung der Mercedes-Benz E-Klasse herangezogen.

Monomaterial ersetzt Multimaterialverbunde im Automobilinnenraum

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Leichtbau

Polyethylenterephthalat

Thermoplaste

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Kunststoff-Rezyklat

Kreislaufwirtschaft

Nicht nur leicht, sondern auch recycelbar

Bisher wurden naturfaserverstärkte Kunststoffe im Automobil hauptsächlich für Verkleidungsteile ohne nennenswerte mechanische Aufgaben eingesetzt. Nun ist es einem Konsortium gelungen, ein nachhaltiges Gesamtkonzept für Fahrzeugunterböden zu entwickeln.

Im Spritzgießverfahren hergestellte Dämpfungswanne aus dem vorderen Fahrzeugunterboden aus Naturfasern und PCR-Polypropylen mit einer Größe von 92,8 × 128,8 cm und einer Wanddicke von 2 mm. 

Prototypenbauteile erweisen sich in Langzeitfahrversuchen als serientauglich

Spritzgießen

Naturmaterialien

Verstärkungsstoffe

Fahrzeugunterböden aus Naturfasern und Recycling-Kunststoffen

Gute Ideen und Vorsätze haben viele. Diese zielstrebig umsetzen, schaffen nur wenige. Gemeistert haben diese Hürde die Jungunternehmer Julian Reitze und Stefan Zender.

Säge- und Hobelspäne aus der holzverarbeitenden Industrie, PLA als Bindemittel – das Rezept für ökologisch verträgliche Kaffeekapseln

Ein Start-up produziert Bio-Kaffeekapseln aus Holz und Pflanzenstärke in Millionenstückzahl

Biokunststoffe

Auf dem Holzweg erfolgreich

Spritzgießer stehen bei der Verarbeitung von hochgefüllten Wood-Plastic-Composites (WPC) vor unterschiedlichen Herausforderungen. Füllgehalte oberhalb eines Massenanteils von 40 % führen zu Freistrahlbildung und Bindenähten, die wiederum mechanische Schwachstellen im Bauteil erzeugen. Das Sandwich-Spritzgießen bietet eine gute Alternative, um diese Fließanomalien zu vermeiden.

WPC in Granulatform, Freistrahlbildung durch konventionelles Spritzgießen und optimiertes Füllverhalten durch Sandwichtechnik (von links oben im Uhrzeigersinn)

Gesteigerte Prozesssicherheit bei der Verarbeitung von WPC durch Sandwich-Spritzgießen

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Die Fließfront darf nicht brechen

Das Batteriesystem ist eine der schwersten Komponenten im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs. Durch den bedarfs- und funktionsgerechten Einsatz von Leichtbaumaterialien und großserienfähigen Fertigungsprozessen besteht großes Leichtbaupotenzial.

Leichtbau-Batteriemodul mit Lithium-Ionen-Batteriezellen im Pouch-Zellformat und SMC-Modul-Endplatten.

Traktionsbatteriesystem in Leichtbauweise für die Elektromobilität

Composite-Halbzeuge

Elektromobilität

Mobilität

Harzsysteme für Composite-Herstellung

Polyurethan

Energiespeichersysteme

Leichtbau für Schwergewichte

Der Kunststoffhersteller Lanxess hat seine Tepex-flowcore-Reihe um weitere thermoplastische Composite erweitert. Die Produktfamilie ist speziell für verschiedene Fließpressenverfahren ausgelegt. Die neuen Composites sollen als Alternative zu duroplastischen Sheet Molding Compounds (SMC) zum Einsatz kommen.

Mit den Composites lassen sich Bauteile mit Verrippungen herstellen, ohne dass dafür zusätzliches Anspritzmaterial notwendig ist. Der gezeigte Demonstrator besteht komplett aus fließgepresstem Tepex flowcore. 

Duktile Composites für das Fließpressen

Fraunhofer IGCV forscht in Augsburg an der Rückführung rezyklierter Carbonfasern.

Die Pilot-Linie im Technikums-Maßstab soll größtmögliche Flexibilität hinsichtlich Materialvarianten und Prozessparametern bieten.

16:9

Recycling

Umweltmanagement

Carbon statt Papier

Neun Projektpartner wollen unter Leitung der Porsche AG die klassischen Aluminium-/Magnesium-Hohlprofile, die beispielweise als Cockpitquerträger in Fahrzeugen eingesetzt werden, durch funktionalisierte Faserverbund-Hohlprofile ersetzen.

Generische FuPro-Struktur: Bauweise (links), gefertigtes Bauteil (rechts).

Recyclinggerechtes Multi-Material-Design für Faserverbund-Hohlprofile

Die Eröffnung des Nationalen Leichtbau-Validierungszentrum – LEIV am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden markiert einen wesentlichen Schritt zur schnellen Überführung der Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet in die industrielle Praxis, von dem insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) profitieren werden.

Robin – die „fliegende Spritzgießmaschine“ des jüngsten ILK-Start-ups Anybrid im LEIV

Nationales Leichtbau-Validierungszentrum eröffnet

Composites Germany gibt erneut Einblicke zum Marktgeschehen im Bereich faserverstärkter Kunststoffe. Die anhaltenden Effekte der Corona-Pandemie sowie steigende Energiekosten und der Krieg in der Ukraine belasten die Unternehmen.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Symbolbild)

Unternehmen

kunststoffe.de

Aktuelle Krisen belasten Stimmung

Über die Bedingungen haben sich beide Unternehmen geeinigt. Der Kaufpreis liegt bei 700 Millionen Euro.

Michelin übernimmt Flex Composite Group

Energieeffiziente und sichere Last Mile Logistik dank GFK: Lamilux Composites schützen Pakete sowie Fahrzeuge

Last Mile Fahrzeuge gestalten den finalen Transport von Waren umweltfreundlicher und effizienter – auch dank Composites.

Automotive

Fahrzeugbau

Gewappnet für die letzte Meile

GFK ist das Multitalent für Trockenfrachtauflieger der Nutzfahrzeugindustrie. So eignen sich beispielsweise die Composites von Lamilux für den Einsatz in Außenwand, Dach und Innenbereich.

GFK kommt für Trockenfrachtauflieger der Nutzfahrzeugindustrie an unterschiedlichen Stellen zum Einsatz.

Glasfasern / -matten

Lamilux GFK im Einsatz für Trockenfrachtauflieger

Jedes Jahr entstehen große Mengen an Textilabfällen. Ein Teil davon könnte als kostengünstige und biobasierte Verstärkungsfasern genutzt werden.

Uni Kassel: Aus Textilabfällen werden Kunststoffverbunde

Baumwolle als Faserverstärkung

Aus Textilabfällen werden  Kunststoffverbunde

Fassadenelemente aus Weidenfäden und Polypropylen

Werkstoffverbunde aus Holzgeweben in einer thermoplastischen Matrix verbinden die Idee des textilen Holzbaus mit der Faserverbundtechnologie. In einem Projekt werden Fassadenelemente aus solchen Wood Textile Composites hergestellt. Dabei spielt neben den mechanischen Anforderungen auch die gestalterische Seite und die Akzeptanz der zukünftigen Nutzer eine wichtige Rolle.

Die Materialauswahl für die Fassade eines Gebäudes basiert auf den verschiedenen bautechnischen und gestalterischen Anforderungen, die an die Gebäudehülle gestellt werden. Dabei kommt es, neben den mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials, auch auf die Außenwirkung an. Außerdem hat die Transparenz der Fassade unter anderem Auswirkungen auf das Wohnklima im Innere des Gebäudes und somit auf das Wohlbefinden der Bewohner. Mit einem Werkstoff, der durch vergleichsweise einfache Eingriffe im frühen Herstellungsprozess in seiner Lichtdurchlässigkeit beziehungsweise Opazität variiert werden kann, lassen sich unterschiedliche bautechnische und gestalterische Anforderungen an eine Gebäudehülle elegant lösen.

Das Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik (IfWK) und die Forschungsplattform Bau Kunst Erfinden (FBKE), beide von der Universität Kassel, entwickeln gegenwärtig für vorgehängte, hinterlüftete Fassaden (VHF) einen solchen variablen Werkstoffverbund (Projektname: „Voto – Weidengewebeverstärkter Kunststoff mit variabler Gewebedichte für Fassadenelemente im textilen Holzbau“). Zentraler Bestandteil des Projekts sind Gewebe aus dem Holz der Amerikanerweide (Salix americana), die in eine Matrix aus Polypropylen (PP) eingebettet und in einem Heißkompaktierprozess zu Wood Textile Composites (WTC) verarbeitet werden (Bild 1). Die Besonderheit von WTC besteht darin, dass sich die Lichtdurchlässigkeit des Werkstoffverbunds durch verschiedene Webarten sowie unterschiedliche Fadenabstände im Gewebe gezielt steuern lässt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, verschiedene Opazitäten und Erscheinungsbilder der Fassade sowie Variationen der dahinterliegenden Raumatmosphäre zu erzeugen. Die geplante Anwendung bereitet jedoch auch Herausforderungen. Diese betreffen neben der Prozessführung im Rahmen der Herstellung und der mechanischen Belastbarkeit insbesondere auch die Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen.

Wood Textile Composites aus  Weidenfäden

Die quasi-endlosen Weidenfäden, aus denen die im Projekt verwendeten Gewebe bestehen, werden durch Bearbeitung von gespaltenen Weidenruten erzeugt. Diese Methode, die traditionell aus dem Korbmacherhandwerk stammt, wurde dafür optimiert. Dabei kommen speziell für diesen Zweck angepassten Holzbearbeitungsmaschinen zum Einsatz. Mit diesen werden die zu Holzstreifen gespaltenen Ruten so bearbeitet, dass sie eine kontinuierliche Breite von 4 mm und eine Dicke von 1 mm über eine Länge von 1,20 m aufweisen. Diese flexiblen Fäden werden an den Enden geschäftet und durch eine an den kleinen Querschnitt angepasste Methode zu quasi-endlosen Holzfäden verarbeitet. In dieser Form lassen sie sich auf einem Webstuhl, der speziell für die Verarbeitung von Weidenstreifen zu Geweben umgebaut wurde, zu den im Projekt entwickelten Geweben verarbeiten (Bild 2).

Die Herstellung der WTC erfolgt im Heißkompaktierprozess mit einer Präzisionsheißpresse vom Typ LAP 80 der Firma Gottfried Joos Maschinenfabrik (Bild 3). Die verwendete Heißpresse bietet unter anderem die Möglichkeit, den Prozess druck geregelt zu steuern, wodurch insbesondere die druckempfindlichen Weidengewebe geschont werden. Das PP für die Matrix (Typ: PP 575 P, Hersteller: Sabic) wurde mittels einer Flachfolienanlage (Typ: Chill Roll CR 136/350, Hersteller: Collin Lab & Pilot Solutions) und Breitschlitzdüse zu Folien mit einer Dicke von 0,1 mm verarbeitet. Die Kunststofffolien werden in mehreren Schichten um und zwischen die beiden verwendeten Weidenholzgewebe gestapelt. Für die Bereiche des Werkstoffverbunds, bei denen der thermoplastische Kunststoff direkt an das Holz anschließt, wird zudem mit 5 Gew.-% ein Haftvermittler auf Basis von Maleinsäureanhydrid (Typ: Licocene PP MA 6452, Hersteller: Clariant) in die Folien eingearbeitet. Der Heißkompaktiervorgang erfolgt bei einer maximalen Temperatur von 180 °C sowie einem maximalen Pressdruck von 0,32 N/mm².

Wie erwähnt, spielt die Materialwahrnehmung durch den Betrachter beim Einsatz als Fassadenelement eine sehr wichtige Rolle. Deshalb wurde am IfWK eine humansensorische Studie zur sowohl optischen als auch haptischen Materialwahrnehmung von WTC durchgeführt. Das erfolgte im Rahmen einer institutsinternen Abfrage, wobei den teilnehmenden Probanden jeweils WTC-Platten mit einer Größe von 15 cm x 20 cm vorgelegt wurden. Bei den Platten handelte es sich um Varianten aus zwei in eine PP-Matrix eingebetteten, dichten Geweben (Bild 1). Die Materialpräsentation erfolgte automatisiert. Die Platten wurden dem Betrachter unter standardisierten Lichtbedingungen durch einen Roboter vorgelegt.

Abgefragt wurde dabei, im Hinblick auf die geplante Anwendung als Fassadenelement, insbesondere die emotionale Wahrnehmung der WTC. Die Bewertung zeigte, dass dem Werkstoffverbund WTC durch die befragten Personen durchweg positive emotionale Eigenschaften zugeordnet wurden (Bild 4). Aufgrund der Resonanz der Studienteilnehmer auf den Werkstoff spricht somit aus Designsicht nichts gegen den geplanten Einsatz als Fassadenelement oder in anderen sichtbaren Bereichen.

Wie widerstandsfähig sind die  Composites?

Außerdem wurde das Material verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt und bewittert. Im Anschluss erfolgte eine rein optische Begutachtung der Prüfkörper bei Tageslicht. Diese ergab keine sichtbaren Unterschiede zwischen den Prüfkörpern, die darrgetrocknet und gefroren waren sowie den Prüfkörpern, die in Norm- und Tropenklima gelagert wurde. Die wassergelagerten Proben wiesen eine deutliche Verdunklung am Rand der Prüfkörper auf. Das verdeutlicht, dass über die an den Stirnseiten freiliegenden Weidenfäden Wasser in den Werkstoffverbund eingedrungen ist. Die deutlichste Veränderung zeigten die bewitterten Proben. Der umgebende Kunststoff wies bei diesen eine milchige und spröde Erscheinung auf. Die Struktur der Weidengewebe war deshalb kaum noch sichtbar. Dort wo die Weidengewebe aufgrund von Fehlstellen in der Matrix sichtbar waren, konnte zudem eine deutliche Vergrauung des Holzes festgestellt werden. Der Einfluss von UV-Strahlung in Verbindung mit Wasser auf sowohl Holz als auch PP zeigt sich somit bereits bei nicht standardisierten Lichtbedingungen (Bild 5) [1 - 3]. Zudem kam es sowohl bei den wassergelagerten, als auch bei den bewitterten Prüfkörpern zu einer teilweisen Ablösung der PP-Matrix von den Weidenfäden.

Mittels Farbspektroskopie ist die Darstellung einer Farbe unter standardisierten Lichtbedingungen im L*a*b*-Farbenraum möglich. Damit wurde die Farbabweichung (ΔE) der konditionierten Proben in Bezug auf eine Normklima-Probe untersucht (Bild 6). Während die bei Frost und Tropenklima konditionierten Prüfkörper erwartungsgemäß wenig Abweichungen vom Normklima zeigen, ist die Farbabweichung der darrgetrockneten Proben größer, als zuvor durch die rein optische Kontrolle angenommen. Die bewitterten Prüfkörper zeigen die erwartete deutliche Abweichung. Diese ist jedoch nicht wie bei den anderen Prüfkörpern hauptsächlich auf eine Veränderung der Holzfarbe, sondern auch auf die witterungsbedingte Schädigung des PP zurückzuführen [4]. Auch die Farbabweichung bei den wassergelagerten Proben ist deutlich sichtbar.

Feuchtigkeit beeinflusst die  Schlagzähigkeit

Untersucht wurde außerdem, wie sich Feuchtigkeit auf die mechanischen Eigenschaften der WTC auswirkt. Dazu wurde nach der Konditionierung zunächst die jeweilige Feuchtigkeit der Prüfkörper ermittelt und im Anschluss Schlagbiegeversuche durchgeführt (Bild 7). Auffällig ist dabei, dass die Schlagzähigkeit der Proben, mit Ausnahme der bewitterten, parallel zur zunehmenden Feuchtigkeit im Werkstoff ansteigt. Die niedrigste Schlagzähigkeit der WTC zeigt sich bei den darrgetrockneten Proben. Am höchsten ist sie bei den wassergelagerten Proben. Bei diesen ist zu beachten, dass es innerhalb der vierundzwanzigstündigen Lagerung nicht zur Fasersättigung des Holzes kam. Die Wasseraufnahme wurde offensichtlich durch den umgebenden Kunststoff behindert und trat erst nach 120 h auf [5].

Die Analysen zeigen, dass die Trocknung der Prüfkörper, unabhängig davon ob diese bei erhöhter Temperatur oder bei Frost stattfindet, zu einer Versprödung des Werkstoffverbunds führt. Zunehmende Feuchtigkeit hingegen erhöht die Duktilität [6]. Eine Ausnahme bildet in diesem Punkt der bewitterte Werkstoffverbund. Trotz zunehmender Feuchtigkeit zeigt er ein eher sprödes Werkstoffverhalten. Dieses ist auf die deutliche Schädigung sowohl der PP-Matrix als auch des darin eingebetteten Holzes durch die Bewitterung zurückzuführen.

Das erste Teilziel des Projekts Voto, die Herstellung eines Werkstoffverbunds, der bei konstanten und angepassten Prozessbedingungen reproduzierbare Ergebnisse zeigt, konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Schäden an den WTC, die durch den Heißkompaktierprozess entstehen können, wurden dabei jedoch bisher nur rein optisch begutachtet. Um die Schäden genauer zu detektieren, sollen zukünftig Micro-Computer-Tomografie (µCT) und Mikroskopie als bildgebende Analyseverfahren zum Einsatz kommen. Zudem konnte gezeigt werden, dass WTC erwartungsgemäß nicht witterungsstabil sind und sowohl konstruktiver Schutz offener Holzanteile als auch die Zugabe von Additiven wie UV-Stabilisatoren zur Matrix notwendig sind. Die Anforderungen an VHF erfordern eine tiefgehende mechanische Analyse, wobei auch Faktoren wie der Brandschutz und die Witterung zu berücksichtigen sind. Beide Faktoren werden im weiteren Projektverlauf ausführlich untersucht. Eine dahingehende Additivierung der Matrix ist ebenfalls Teil des Projekts.

Aus Sicht des Designs werden im Projekt verschiedene Ansätze verfolgt. Sie zielen darauf ab, durch verschiedene Webarten unterschiedliche, auf die Bedürfnisse des Verbrauchers zugeschnittene Lichteffekte zu erzeugen und damit die Variabilität des Werkstoffverbunds auszuschöpfen. Die humansensorische Studie zeigte jedoch, dass der Werkstoff hinsichtlich seines Designs bereits in der vorgestellten Grundversion überzeugen konnte.

[1]C.-A. Teaca, D. Rosu, R. Bodîrlau, and L. Rosu, “Structural Changes in Wood under Artificial UV Light Irridation Determindes by FTIR Spectroscopy and Color Measurements – A Brief Review,” BioResources, vol. 8, no. 1, pp. 1478–1507, 2013.

[2]D. Rosu, C.-A. Teaca, R. Bodirlau, and L. Rosu, “FTIR and color change of the modified wood as a result of artificial light irradiation,” Journal of photochemistry and photobiology. B, Biology, vol. 99, no. 3, pp. 144–149, 2010, doi: 10.1016/<a href="http://j.jphoto" target="_blank">j.jphoto</a>biol.2010.03.010.

[3]A. Peacock and A. Calhoun, Polymer Chemistry: Properties and Applications. München: Hanser, 2006.

[4]A. Tidjani, “Photooxidation of polypropylene under natural and accelerated weathering conditions,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 64, no. 13, pp. 2497–2503, 1997, doi: 10.1002/(SICI)1097–4628(19970627)64:13&lt;2497::AID-APP3><a href="http://3.0.CO" target="_blank">3.0.CO</a>;2–8.

[5]N. Defoirdt, S. Gardin, J. van den Bulcke, and J. van Acker, “Moisture dynamics of WPC and the impact on fungal testing,” International Biodeterioration & Biodegradation, vol. 64, no. 1, pp. 65–72, 2010, doi: 10.1016/<a href="http://j.ibiod" target="_blank">j.ibiod</a>.2009.07.010.

[6]S. Butylina, M. Hyvärinen, and T. Kärki, “A study of surface changes of wood-polypropylene composites as the result of exterior weathering,” Polymer Degradation and Stability, vol. 97, no. 3, pp. 337–345, 2012, doi: 10.1016/<a href="http://j.polymd" target="_blank">j.polymd</a>egradstab.2011.12.014.

Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik Universität Kassel

https://www.ifw-kassel.de

Ausgabenartikel KU06-22

Bild 5. WTC-Prüfkörper nach Konditionierung: Im Vergleich zum Normklima-Probekörper (links) zeigt sich bei Wasserlagerung eine Verfärbung am Rand des Körpers (mitte). Durch Bewitterung (rechts) wird die Kunststoffmatrix beschädigt und vergraut. Auch die Weidenfasern weisen dann Farbveränderungen und Schäden auf.

In transparente Kunststoffe eingebettete Weidenfäden bieten interessante Optionen beim Spiel mit Licht und Schatten, nicht nur bei Fassadenelementen.

Bild 6. Farbabstand der verschieden konditionierten Proben bezogen auf die Farbe bei Normklima: Die größte Farbabweichung ist bei der bewitterten Probe festzustellen. Bei den verschiedenen Trockenverfahren kommt es bei der Darrtrocknung zur größten Abweichung.

Bild 7. Feuchtigkeit und Schlagzähigkeit der konditionierten Prüfkörper: Die Schlagzähigkeit nimmt besonders nach der Wasserlagerung deutlich zu.

Bild 1. Für die hergestellten WTC kommt das Holz der Amerikanerweide zum Einsatz.

Bild 2. Für die Verarbeitung von Weidenfäden zu Geweben wurde ein Webstuhl entsprechend umgebaut.

Bild 3. Im Heißkompaktierverfahren werden mehrere Lagen der PP-Folie mit den Weidengeweben verbunden. 

Bild 4. Ergebnisse der humansensorischen Analyse: Die WTC werden besonders als originell, harmonisch und anziehend betrachtet. 

KU 6-22_UniKassel_Boyneburgk - Hauptartikel

Claudia von Boyneburgk, M. Sc., ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik (IfWK) der Universität Kassel;

<a href="mailto:c.vonboyneburgk@uni-kassel.de">c.vonboyneburgk@uni-kassel.de</a> Dipl.-Des. Steffi Silbermann arbeitet als künstlerische Mitarbeiterin an der Forschungsplattform Bau Kunst Erfinden (FBKE) der Universität Kassel. Leander Schweiger, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IfWK. Dr. Jan-Christoph Zarges ist Leiter der Abteilung Materialien und Strukturen am IfWK. Prof. Heike Klussmann leitet die FBKE. Prof. Hans-Peter Heim leitet den Bereich Kunststofftechnik am IfWK.

Das Projekt Voto wird im Rahmen der AIF-IGF unter der Fördernummer 21712 N durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung.