Gewebe aus Hybridgarnen für eine vereinfachte Herstellung von naturfaserverstärkten Organoblechen

Heimische Bastfasern wie beispielsweise Hanffasern aus Deutschland oder Flachsfasern aus Frankreich und Belgien bilden eine hervorragende Grundlage für die Herstellung von naturfaserverstärkten Kunststoffverbunden. Die kurzen Transportwege beeinflussen den CO₂-Fußabdruck dieser Pflanzenfasern, im Vergleich zu Fasern aus Südostasien nur marginal. Das von der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderte Projekt Durobast (Förderkennzeichen: 2220NR090C) verfolgt daher das Ziel, eine Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Kunststoffverbunden aufzubauen, die vollständig von Partnern aus Deutschland getragen wird. Beginnend mit der Faserauswahl und -vorbehandlung über die Herstellung von Garnen und Geweben bis hin zur Demonstration in verschiedenen Marktsegmenten, wie z.B. Sport und Freizeit aber auch Automobilanwendungen, werden die unterschiedlichen Arbeitsschritte durch akademische und industrielle Projektpartner abgebildet.

Weitere Informationen sind auf der Internetpräsetz des Projekts www.durobast.de zu finden.

Bei der Herstellung naturfaserverstärkter Organobleche – d. h. vollständig imprägnierter und konsolidierter flächiger Halbzeuge – muss ein Spannungsfeld aus verschiedenen gegensätzlichen Rahmenbedingungen berücksichtigt werden: Insbesondere bei der Mikroimprägnierung, bei der die Zwischenräume eines Naturfasergarns mit dem schmelzflüssigen Polymer gefüllt und die darin befindliche Luft verdrängt wird, muss eine ausreichend hohe Temperatur herrschen, um die Viskosität der Schmelze zu senken und eine gute Fließfähigkeit zu ermöglichen. Gleichzeitig darf die Temperatur nicht zu einer thermischen Degradierung und damit zu einer Verringerung der mechanischen Leistungsfähigkeit des Verbundes führen. Bei einem Filmstackaufbau werden abwechselnd Gewebelagen und Polymerfolien gestapelt oder einzelne Gewebelagen mit einem Polymerpulver bestreut, weshalb die Faserimprägnierung nur in Dickenrichtung erfolgen muss. Dennoch muss aufgrund der hohen Schmelzeviskosität von thermoplastischen Polymeren eine ausreichende Prozessdauer eingestellt werden, um eine vollständige Imprägnierung zu gewährleisten. Alternativ dazu können die Garne als Hybridgarne mit einem definierten Polymeranteil hergestellt werden. Die Polymerfasern tragen zur Stabilisierung des Garns bei der Herstellung bei, wodurch geringe Titer erreicht werden können. Durch die homogenere Mischung von Polymer- und Verstärkungsfasern sind bei der Imprägnierung kürzere Fließwege notwendig und es entsteht ein geringeres Risiko für Poren, da die Luft von innen nach außen aus dem Garn verdrängt wird. Ein Vergleich der Imprägnierprozesse in Filmstacks und Hybridgarnen ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Kontinuierliche Prozesse bieten gleichzeitig der Vorteil, dass nur die Gewebelagen aus Hybridgarnen in die Doppelband- oder Intervallheißpresse zugeführt werden müssen. Bei Filmstacks hingegen müssen Gewebe und Polymerfolien entsprechend dem definierten Lagenaufbau vom Spulengatter in die Presszone eingeführt werden. Abbildung 2 zeigt Gewebe aus Hybridgarnen und ein Organoblech nach der Imprägnierung und Konsolidierung im Heißpressprozess.

Ergebnisse aus dem Projekt Durobast zur Herstellung von gewebeverstärkten Organoblechen mit einer rezyklierten PLA-Matrix wurden kürzlich in einer wissenschaftlichen Open-Access Publikation veröffentlicht: https://www.mdpi.com/2073-4360/15/22/4357

Ein Vergleich der Eigenschaften von hanf- und flachsfaserverstärkten Organoblechen mit einer neuwertigen und rezyklierten PLA-Matrix wurden auf einem projektbezogenen Workshop im Rahmen der Greener Manufacturing Show im November 2023 in Köln vorgestellt und diskutiert: https://durobast.de/publikationen/

Eine weitere Vorstellung der Projektergebnisse fand im Rahmen der 3. Online Fachtagung Bioplastics statt, die vom Institut für Kreislaufwirtschaft der Bio:Polymere der Hochschule Hof am 20. und 21. März 2024 veranstaltet wurde. Das Projekt Durobast war zudem im Rahmen der Hannover-Messe vom 22. bis 26. April auf dem Gemeinschaftsstand der FNR in Halle 2 Stand A35 vertreten.

Das Projekt Durobast wird durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichnen: 2220NR090C).