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Analyse und Optimierung der Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen von cellulosefaserverstärkten Polylactid-Verbundwerkstoffen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung der Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen zwischen Cellulosefasern, der bio-basierten Kunststoffmatrix und dem Verbundwerkstoff. Neben den Eigenschaften der Faser und der Matrix selbst, wie deren mechanische Kennwerte und Spannungs-Dehnungs-Charakteristik sowie der Faserfreiheit und Faserlänge, beeinflussen das Herstellungsverfahren und verfahrenstechnische Einstellungen die Struktur und somit die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erheblich. Die Interaktion zwischen Faser- und Matrix, die Faserorientierung im Verbundwerkstoff, die mögliche Anwesenheit von Poren und deren Verteilung sowie die thermische und mechanische Belastung von Faser und Matrix durch das Herstellungsverfahren sind entscheidend für die Eigenschaften des entstehenden Verbundwerkstoffs verantwortlich. In vielen Arbeiten werden die genannten Aspekte getrennt voneinander betrachtet und interpretiert. Das führt dazu, dass die Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen von cellulosefaserverstärkten bio-basierten Matrices noch nicht vollständig verstanden sind. Kennwertvorhersagen sind schwierig zu treffen und zeigen hohe Abweichungen im Vergleich zu den experimentell ermittelten Daten. Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz dar, die genannten Parameter und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe zunächst getrennt voneinander zu analysieren. Die erzielten Ergebnisse werden anschließend in einen Zusammenhang gebracht und die Einflüsse der unterschiedlichen Parameter auf die Eigenschaften der hergestellten Verbundwerkstoffe analysiert. Bei den eingesetzten Verstärkungsfasern handelt es sich um Celluloseregeneratfasern mit einer hohen Zähigkeit (Duktilität) und einer geringen Steifigkeit sowie um Bastfaserbündel mit einer geringen Zähigkeit und einer hohen Steifigkeit. Als Matrix wird schwerpunktmäßig der bio-basierte Kunststoff PLA (Polymilchsäure oder Polylactid) berücksichtigt. Einzelne Versuchsreihen beschäftigen sich als Vergleichbarkeitsstudien jedoch auch mit PP (Polypropylen), MAPP (mit Maleinsäureanhydrid-gepfroptes PP) und PHB (Polyhydroxybuttersäure) als Matrices. Es wird die Übertragbarkeit der Struktur- und Eigenschaftsprinzipien von Cellulosefaser/PLA- auf Cellulosefaser/PHB-Verbundwerkstoffe überprüft. Die Produktion der Verbundwerkstoffe erfolgt mittels Formpress- und Spritzgussverfahren mit unterschiedlichen Verfahrensparametern. Neben der Aufklärung der Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen zwischen Faser, Matrix und dem Verbundwerkstoff wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, wie die geringe Schlagzähigkeit von bastfaserverstärkten spröden PLA-Werkstoffen durch die Beimischung von Celluloseregeneratfasern optimiert werden kann und es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die suboptimale Faser/Matrix-Interaktion durch die Modifikation der Grenzschicht zwischen Faser und Matrix verbessert werden kann. Die erhobenen Daten werden letztendlich dazu genutzt, ein Modell zur Festigkeitsberechnung von Verbundwerkstoffen zu erstellen, mit dem die Festigkeit mit einer maximalen Abweichung von ± 20 % vorhergesagt werden kann. Dieses Ziel wird sowohl für langfaserverstärkte (Faserlänge > 4 mm) als auch für kurzfaserverstärkte (Faserlänge < 4 mm) Verbundwerkstoffe erreicht. Die vorliegende Arbeit stellt somit einen wichtigen Beitrag dar, das Verhalten von cellulosefaserverstärkten bio-basierten Kunststoffen besser zu verstehen und diese Werkstoffgruppe zu berechenbaren Werkstoffen zu machen.

Read this abstract in English at Kunststoffe-international.com
 Nina Graupner

Nina Graupner
Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik
Technische Universität Clausthal

Informationen

Freie Schlagwörter: Polylactid (PLA), cellulosefaserverstärkter Verbundwerkstoff, Lyocellfaser, mechanische Eigenschaften, Faser/Matrix-Haftung, Faserorientierung, Poren, Formpressen, Spritzgießen, Berechnungsansatz
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Natur- und Materialwissenschaften der Technischen Universität Clausthal
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann, Prof. Dr. rer. nat. Alfred Weber, Prof. Dr.-Ing. Jörg Müssig
Erscheinungsjahr: 2013
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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