DE10120975A1

DE10120975A1 - Verfahren zur Herstellung von Kunststoffverbunden mit Hilfe faserhaltiger Materialien, die den Zweck der Verstärkungsfasern erfüllen

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Publication number: DE10120975A1
Application number: DE10120975A
Authority: DE
Inventors: Lothar Rauer; Johannes Wilhelm; Rene Bayer; Eberhard Koehler; Wolfgang Nendel
Original assignee: EMDA FOUNDATION FOR DEV AID AC
Current assignee: EMDA FOUNDATION FOR DEV AID AC
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-11-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Herstellung von Kunststoffverbunden mit Hilfe faserhaltiger nachwachsender Rohstoffe, insbesondere von Bambuszerfaserungsprodukten, die als Verstärkungsmaterialien für Stoffe mit organischen bzw. makromolekularen Matrixsystemen aufzubereiten sind. DOLLAR A Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, im technologischen Anschluss an die Bambuszerfaserung eine Verfahrensweise zu schaffen, welche als ganzheitliche Verfahrenslösung von der Aufgabe des zerfaserten und klassierten Rohstoffes durch seine stufenweise zu erreichende Aufteilung in unterschiedliche Faser- bzw. Faserbündeldicken oder -längen bis hin zur Einbringung in den Kunststoffverbund geeignet ist, zur Herstellung von preiswerten Verbundwerkstoffen mit vorgegebenen mechanischen und sonstigen Eigenschaften für unterschiedlichste Anwendungen zu führen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, dass Kunststoffe je nach den geforderten (vorzugsweise mechanischen) Eigenschaften gemeinsam mit auf unterschiedliche Feinheit aufbereiteten überwiegend faserförmigen Bambuspartikeln einem Compoundierungsprozess unterzogen und in an sich bekannter Weise zu rieselfähigen Granulaten umgewandelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Herstellung von Kunststoffverbunden mit Hilfe faserhaltiger nachwachsender Rohstoffe, insbesondere von Bambuszerfaserungsprodukten, die als Verstärkungsmaterialien für Stoffen mit organischen bzw. makromolekularen Matrixsystemen auf Grund spezieller mechanischer und Oberflächeneigenschaften besonders geeignet und für den Einsatz entsprechend der Matrixzusammensetzung und Anwendungsbedingungen auf unterschiedliche Feinheiten aufzubereiten sind.

Unter Kunststoff wird im Sinne dieser Erfindung ein Stoff aus makromolekularen Verbindungen oder Massen, die ihrerseits aus solchen makromolekularen Verbindungen bestehen, verstanden.

Für die Herstellung von faserverstärkten Verbundkunststoffen werden in großem Umfang synthetische Fasern aber in einem zunehmendem Maß auch Naturfasern verwendet, die man in unterschiedlichen Matrixsystemen einlagert. Als synthetische Fasermaterialien sind neben Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern auch solche aus speziell behandelten höherschmelzenden Thermoplasten gebräuchlich. Daneben sind auch Verfahrensweisen entwickelt worden, bei denen Langfasergranulate aus gemeinsam aufgeheizten und dann durch eine Düse gezogenen Faserbändern aus Naturfasern und thermoplastischen Stapelfasern hergestellt werden, siehe hierzu Tagungsband "Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde", herausgegeben von K. Schulte und K. U. Kainer im Wiley-VCH Verlag Weinheim 1999.

Alle diese Verstärkungsfasern wie auch ihre Einarbeitung in Verbunde bzw. die Verarbeitung dieser Fasern sind kostenaufwendig, teilweise zeitaufwendig und kompliziert handhabbar, so z. B. bei der Herstellung von Glasfaserverstärkungen in unterschiedlichen Kunstharz-Matrixsystemen. Die Anwendung der vorgenannten Fasern, insbesondere auch die weitverbreitete Glasfaserverstärkung, verbrauchen unwiederbringlich natürliche Ressourcen. Für bestimmte Anwendungsfälle erscheinen die mit vorgenannten Verstärkungsmaterialien erreichbaren Qualitäten und Eigenschaftswerte, insbesondere die physikalisch-mechanischen, unnötig bzw. unangepasst hoch. Mitunter ist es angebracht, organische Fasern synthetischer Herkunft zur Verstärkung einzusetzen. Aber auch diese Fasergruppe verbraucht unwiederbringlich Naturressourcen. Ebenso ist ihre Herstellung in der Regel kosten- und zeitintensiv sowie meistens auch sehr energieintensiv, abgesehen von den oft damit verbundenen schädigenden Belastungen für Mensch und Umwelt bei der Grundstoff- und Faserherstellung.

Aus der technischen Fachliteratur, hierzu G. W. Ehrenstein: "Faserverbund- Kunststoffe", Carl Hanser-Verlag München 1992, ist alternativ zur Verwendung synthetischer Fasern als Kunststoffverstärkungsmaterialien in thermo- und/oder duroplastischen Matrixsystemen seit geraumer Zeit der Einsatz von Naturfasern, z. B. aus Flachs vor allem in Verbunden mit Polypropylen bekannt (Michaeli, W. et. al.: "Einsatzmöglichkeiten von Flachsfasern in Kunststoffen", Statusseminar "Flachs" des Bundes ministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, 15.-16.11.1993 in Leipzig).

Bei Untersuchungen zur Wirkung von Bambusfaserverstärkungen hat U. C. Jindal bereits 1986 in "Development and testing of bamboo-fibres reinforced plastic composites", Journal of Composite Materials 20 (1), P. 19 ÷ 29 ohne nähere Angaben zur Charakteristik der verwendeten Bambusfasern festgestellt, dass sich bambusfaserverstärkte Composites in ihren mechanischen Eigenschaften ähnlich wie glasfaserverstärkte Kunststoffe verhalten.

Erst in neuerer Zeit ist aus der Entwicklung der Patentliteratur zu erkennen, dass man sich mit der industriellen Nutzung/Verwertung von faserhaltigen Bambuspartikeln vor allem zur Erhöhung der Steifigkeit und zur Festigkeitsverbesserung vorzugsweise in thermoplastischen Verbundwerk stoffen befasst (z. B. DE OS 44 08 855 und US PS 5 882 745). Dabei sind erhebliche Unterschiede in der Herangehensweise derart zu erkennen, dass sowohl feinteilige faserförmige Partikel mit 100 µm ≦ l_F ≦ 1000 µm und 3 µm ≦ d_F ≦ 20 µm verwendet werden, als auch die Ansprüche und Ausführungsbeispiele sich bis auf splitterartige Faserbündel mit l_F ≦ 75 mm und 0,5 mm ≦ d_F ≦ 2,5 mm erstrecken.

Festzustellen ist hinsichtlich des oben genannten, dass sich keine nennenswerten Effekte hinsichtlich der Verbesserung mechanischer Eigenschaften, wie z. B. aufnehmbare Zugspannungen und Schlagfestigkeit, ergeben, wenn relativ grobteilige Bambuspartikeln in den Kunststoffverbund eingearbeitet wurden.

Die Nacharbeitung der technischen Lösung nach US PS 58 82 745 ergibt, dass nur mit dem Einsatz von Haftvermittlern für Bambuszumischungen bei Partikeldurchmessern 0,5 mm ≦ d_F ≦ 2,5 mm brauchbare mechanische Eigenschaften der Kunststoffverbunde erreicht werden und diese nicht unabhängig von der Art der angewendeten Bambuszerfaserung sind.

Als eine wesentliche Ursache für obige Feststellungen ist die in Asien verbreitete Methode anzusehen, relativ grobe Bambusfaserbündel in einem mehrstufigen Prozess so herzustellen, dass die Bambushalme durch einen mit hohen örtlichen Flächenpressungen verbundenen Walzvorgang umgeformt, anschließend in parallele Streifen entsprechend der gewünschten Faserbündeldicke aufgetrennt und nachfolgend auf vorgegebene Längen z. B. entsprechend den Verarbeitungsforderungen der nachfolgenden Kunststoffverarbeitung mit zuzugebenden Bambuspartikeln geschnitten werden, wobei beim Zerteilprozess des Bambus entstehendes Feingut meistens abgetrennt und verworfen wird.

Der Erfindung liegt ausgehend von den Mängeln des unmittelbar vorgenannten nächstgelegenen Standes der Technik die technische Aufgabe zugrunde, im technologischen Anschluss an die Bambuszerfaserung eine Verfahrensweise zu schaffen, welche als ganzheitliche Verfahrenslösung von der Aufgabe des zerfaserten und klassierten Rohstoffes durch seine stufenweise zu erreichende Aufteilung in unterschiedliche Faser- bzw. Faserbündeldicken oder -längen bis hin zur Einbringung in der Kunststoffverbund einerseits geeignet ist, zur Herstellung von preiswerten Verbundwerkstoffen mit vorgegebenen mechanischen und sonstigen Eigenschaften für unterschiedlichste Anwendungen zu führen, anderseits eine hierzu weiterentwickelte, damit verbesserte Verfahrensweise zu schaffen, die zu verbesserten Produkteigenschaften der aus dieser Verarbeitung hervorgehenden Kunststoffverbunde führt.

Auch soll die Verfahrensweise der Herstellung von Kunststoffverbunden diejenige Rohstoffeigenschaft ausnutzen, welche sich darin äußert, dass sich Bambus durch zielgerichtete Zerkleinerung entlang von im gesamten Stengelquerschnitt existierenden Struktur- und/oder Verwachsungsgrenzen zwischen faserhaltigen und nichtfaserhaltigen Bestandteilen in nadelartige Elemente zerlegen lässt, die bis in den Bereich der parallel nebeneinander in den Gefäßbündeln angeordneten Faserzellen reichen können.

Wichtige Gründe für die Orientierung auf den nachwachsenden Rohstoff Bambus sind z. B. aus dem Vergleich der Fasereigenschaften von Bambus und Flachs abzuleiten. Bei vergleichbaren Zugfestigkeitseigenschaften von Flachs und Bambus sind die erheblichen Unterschiede in der Biomassenproduktivität (BMP_Bambus ≧ 10 BMP_Flachs), beim Faserausbringen ε_Faser (%) je kg Rohstoff (ε_FaserBambus ≧ 60% ÷ 95%; ε_FaserFlachs ≦ 50%) und bezüglich des Verarbeitungsverhaltens zu beachten. Z. B. behalten Bambusfasern unabhängig vom Feuchtegehalt in der jeweiligen Matrix ihre nadelige Ausgangsform, die meisten anderen Fasern, insbesondere nahezu alle Naturfasern, verändern dagegen ihre Gestalt und neigen zur Agglomeration.

Erfindungsgemäß wird die vorstehende technische Aufgabe und Zielstellung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Dabei wurde gefunden, dass man anstelle der bisherigen oben genannten Verfahrensweisen gemäß DE-OS 44 08 855, US-PS 5 882 745 und der o. g. die in Asien verbreitete Methode nennenswerte Effekte hinsichtlich der Verbesserung mechanischer Eigenschaften wie z. B. aufnehmbare Zugspannungen und Schlagfestigkeit sich nur dann ergeben, wenn relativ feinteilige Bambuspartikeln in den Kunststoffverbund eingearbeitet werden. Die erfindungsgemäße Lösung geht davon aus, dass

- sich Bambusfaserzellen dadurch auszeichnen, dass sie je nach ihrer Position im Bambushalm 1 mm (in Knotennähe) und in der Mitte zwischen zwei Knoten ≦ 2,75 mm lang sind und dass sie in Abhängigkeit von der Bambusart durchschnittliche Faserzellenlängen zwischen 1,04 mm und 2,64 mm, äußere Faserdurchmesser von ca. 10 µm ÷ 23 µm und Schlankheitsgrade λ_F ≈ 50 ÷ 250 aufweisen,
- auf den äußeren Wandungen der (zumindest im Jugendstadium und im mittleren Alter der Halme mit ≦ 4 ÷ 5 a) hohl ausgebildeten Faserzellen multigerichtete Strukturen, auf den inneren Wandungen der gleichen Zellen dagegen warzenartige Erhöhungen und Ligninablagerungen zu finden sind,
- der mittlere Faseranteil in Bambussen artabhängig ist und er bei den wichtigsten Bambusarten Werte zwischen 37% und 50% erreicht,
- die Faserzellen im Querschnitt eines jeden Bambushalmes ungleichmäßig verteilt sind, insbesondere im Außenwandbereich ihr Anteil bis zu 60% beträgt sowie der Faseranteil an der inneren Wand bei 15% liegt,
- faserarme und nichtfaserhaltige Parenchymzellen einen Anteil von ≈ 50% an der Biomasse des Bambushalmes haben, wobei der Parenchymanteil im äußeren Rand der Halme bei Werten um 35% liegt; er nimmt in radialer Richtung bis auf ca. 75% zu, wobei zu beachten ist, dass die außen gelegenen Parenchymzellen relativ klein sind, die inneren Parenchymzellen dagegen länger und insgesamt größer sind und mit zunehmender Halmlänge die Parenchymzellen insgesamt kürzer werden,
- auf den äußeren Oberflächen vieler Parenchymzellen mikroskopisch kleine, überwiegend unter ca. 45° zur Haupterstreckungsrichtung der Zellwandung geneigte und untereinander parallel angeordnete Mikrofibrillen mit Abmessungen im Bereich 0,01 ÷ 0,02 µm angeordnet sind,
- Bambus pro Masseneinheit 10% ÷ 12% mehr Zellulose als jeder andere bekannte zur Zellulosegewinnung genutzte Rohstoff liefert

und

- Bambusfaserzellen sowohl am lebenden Halm als auch noch längere Zeit nach der Ernte die Eigenschaft haben, in den hohlen Faserzellen enthaltene Flüssigkeit außerordentlich schwer abzugeben. Die Zellen entwickeln bei durch Verletzungen der Zellwandung bestehender Gefahr des Lufteintrittes und/oder des Flüssigkeitsverlustes in sehr kurzer Zeit Verschlussmechanismen, wodurch die biochemische Funktionsfähigkeit insbesondere der Faserzellen innerhalb der Gefäßbündel ebenso wie mechanische Eigenschaften längerfristig erhalten bleibt.

Diese vorgenannten Eigenarten und besonders vorteilhaften Wirkungen macht sich die Erfindung bei der Herstellung von Kunststoffverbunden mit Hilfe faserhaltiger nachwachsender Rohstoffe, insbesondere von Bambuszerfaserungsprodukten als Verstärkungsmaterialien zu nutze und löst die vorstehende Aufgabe gemäß der in den Ansprüchen genannten Hauptmerkmale dadurch, dass Kunststoffe je nach den geforderten (vorzugsweise mechanischen) Eigenschaften gemeinsam mit auf unterschiedliche Feinheit aufbereiteten überwiegend faserförmigen Bambuspartikeln einem Compoundierungsprozess unterzogen und in an sich bekannter Weise zu rieselfähigen Granulaten umgewandelt werden.

Dabei sind an sich vom Grundsatz her bekannte Verfahrensweisen neu und verändert bestimmt und diese auf neue Art und Weise miteinander so in Verbindung gebracht worden, dass faserhaltige organische Materialien, insbesondere jedoch Bambus als typischem Vertreter von nachwachsenden kurzfasrigen Rohstoffen, nach einem ein- oder mehrstufigen zerfasernden Zerkleinerungsprozess mit nachfolgender Klassierung in Abhängigkeit von den zu erreichenden mechanischen und sonstigen Eigenschaften mengendosiert, mit einer vom Matrixmaterial abhängigen Restfeuchte und mit auf jeden Anwendungsfall abgestimmten Partikellängen- und -durchmesser verteilungen einem Compoundierungsprozess zugeführt werden. Dabei sollen ausdrücklich die unterschiedlichen verfahrenstechnischen Möglichkeiten wie gemeinsame oder getrennte Aufgabe der Komponenten mit oder ohne Verwendung von den Haftverbund beeinflussenden an sich bekannten Substanzen, die Verwendung unterschiedlicher Compoundierungssysteme wie mit Schnecken ausgerüsteter beheizbarer Extruder oder der Einsatz von Innenmischern, die Nutzung von an sich bekannten Vakuum- Entgasungseinrichtungen und/oder die Verwendung von ebenfalls an sich bekannten Systemen mit unterschiedlichen Verweilzeit- und Aufheizbedingungen für die zu compoundierenden Komponenten eingesetzt sein.

Mit dem Einsatz von bis in den Faserzellenbereich zerlegtem Bambus als Verstärkungsmaterialien sind folgende Vorteile verbunden:

- Durch den Bambuseinsatz sind erhebliche Gewichtsreduzierungen ge genüber herkömmlichen bekannten faserförmigen Verstärkungsmate rialien zu erreichen, z. B. sind bei einem Bambusanteil von 30 M.-% bei Bambusdichten von 0,5 g/cm³ (lufttrocken) Massereduzierungen bei Kunststoff-Faserverbunden von 33% zu erreichen. Das gilt für alle Kunststoffverbunde, somit für thermoplastische Verbunde wie auch in gleicher Weise für Duroplaste.
- Die konventionelle mechanische Bearbeitbarkeit ebenso wie der Ein satz moderner Verarbeitungstechnologien (z. B. Laserbohren) werden weder durch extreme Verschleißeigenschaften noch durch thermische Verarbeitbarkeitsgrenzen limitiert.
- Der Faserrohstoff Bambus wächst mit hoher Biomassenproduktivität in vielen Ländern und kann nach dem Stand der Technik wirtschaftlich aufbereitet werden. Die dabei entstehenden Bambusbereitstellungs-, -aufbereitungs- und -weiterverarbeitungskosten können die Gesamt kosten für andere faserförmige Verstärkungsmaterialien erheblich unterschreiten.

Durch die unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften von Bambusfaser- und -parenchymzellen leisten alle beim Zerfaserungssprozess entstehenden Partikel Beiträge zur Verbesserung des Haftverbundes zwischen Zusatzmaterial und Matrix sowie der mechanischen Belastbarkeit des Kunststoffverbundes.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse einer ersten Verfahrensweise.

Tabelle 2.1 und 2.2 zeigen ausgewählte Ergebnisse einer weiteren Verfahrensweise.

Tabelle 3.1 und 3.2 zeigen die Ergebnisse einer zusätzlichen Verfahrens weise.

Ausführungsbeispiel 1

Gemäß einer ersten Verfahrensweise wird mit variablen Anteilen von Bambusfasern (Faser-∅ d_F ≦ 20 µm, mittlere Faserlänge l_F ≦ 800 µm, Restfeuchte ≦ 3%) und entsprechenden Anteilen von pulverförmigem PE-LD A 17 in einem Einschneckenextruder Granulat hergestellt und im Spritzgießverfahren weiterverarbeitet.

Die daraus durch Spritzgießen hergestellten Normprüfstäbe wurden untersucht. Die Prüfergebnisse sind in nachstehender Tabelle 1 zusammengefasst.

Man erkennt daraus, dass sich bei PE als Matrixmaterial durch den Bambusfaseranteil die elastischen Eigenschaften in weiten Grenzen verändern lassen. Insbesondere gilt das für die Biegebelastbarkeit σ_Bieg und die Elastizitätsmoduli E_Zug und E_Bieg.

Tabelle 1

Durchschnittswerte der mechanischen Eigenschaften von spritzgegossenen Kunststoffproben (PE-LD A 17) mit variablen Anteilen von Bambusfasern (Faser-∅ d_F ≦ 20 µm, mittlere Faserlänge l_F ≦ 800 µm, Restfeuchte ≦ 3%)

Ausführungsbeispiel 2

In einer weiteren Verfahrensweise werden lufttrockene Bambuspartikel (d_F ≦ 0,6 mm als feinteilige Fraktion; 0,6 mm < d_F ≦ 1,6 mm als grobteilige Faserfraktion) mit Partikellängen 12 mm ≦ l_F ≦ 25 mm im Innenmischer direkt in den Verbund eingearbeitet. Damit wurde das Ziel verfolgt, Einflüsse einer kostengünstigen Faseraufbereitung auf die Verarbeitung relativ grober Bambusfasern und sich ergebende Auswirkungen auf mechanische Eigenschaften der Verbunde zu bewerten.

Es zeigte sich, dass Verstärkungseffekte (im Sinne einer Erhöhung des E- Moduls E_bieg und der Biegespannung σ_bieg) erreicht worden sind. Die erreichten %-Zuwächse (als Funktion des Bambuspartikelanteils, bezogen auf die Nullprobe) sind deutlich niedriger als bei feinteiligen Proben entsprechend Tabelle 1. Die Schlussfolgerung kann nur heißen, dass jedes Sparen beim Zerfaserungsaufwand incl. Trocknung negative Auswirkungen auf die sonst erreichbaren Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften hat und dass es im Interesse größtmöglicher Verstärkungseffekte ist, die zuzugebenden Bambuspartikel bei der mechanischen Aufbereitung bis in den Bereich ihrer Strukturbausteine zu zerlegen.

Proben aus dieser Herstellung wurden anschließend geprüft. Ausgewählte Ergebnisse zeigen die nachfolgenden Tabellen 2.1 und 2.2.

Tabelle 2.1

Durchschnittswerte der mechanischen Eigenschaften von Kunststoffproben (PP) mit variablen direkt (im Innenmischer) hineinextrudierten Bambusfaser-Anteilen

Die entsprechenden experimentellen Befunde zu den erreichbaren mechanischen Eigenschaften bei bambusfaserverstärktem PP mit und ohne Einsatz von Haftvermittlern unter Verwendung von relativ grobteiligen Bambuspartikeln mit 0,6 mm < d_F ≦ 1,6 mm und mit Partikellängen von 12 mm ≦ l_F ≦ 25 mm zeigt Tabelle 2.2.

Tabelle 2.2

Orientierungswerte der mechanischen Eigenschaften von spritzgegossenen Kunststoffproben (PP) mit konstantem Bambusfaseranteil von 30%

Ausführungsbeispiel 3

Tabellen 3.1 und 3.2 zeigen die Auswirkungen einer zusätzlichen Verfahrensweise, bei der durch den Einsatz feiner aufgeschlossener Bambusfasern (d_F ≦ 0,6 mm) und gleichzeitige Variation der Faserzugabemenge gegenüber gröberen Fasern (d_F ≦ 1,6 mm) nachgewiesen wurde, dass sich die mechanischen Eigenschaften E_Bieg, E_Zug, σ_Bieg, σ_Zug der Verbunde nur durch Komplexwirkungen von Faserfeinheit, Faseranteil und ggf. stattfindendem Kopplereinsatz erreichen lassen. Der Vergleich der Tabellen 3.1 und 3.2 zeigt, dass durch den Einsatz von gröber aufbereiteter Bambusfasern die mechanischen Eigenschaften E_Bieg, E_Zug der Verbunde sich nicht wesentlich verändern. Auch die Auswirkungen aus dem Kopplereinsatz bewegen sich bei den E-Moduli nur im 5%-Bereich. Dagegen hat der Kopplereinsatz im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Faserkonzentrationen sowohl auf σ_Bieg als auf σ_Zug wichtigen Einfluss. Nur durch den Kopplereinsatz kann sichergestellt werden, dass sich die Biege- und Zugeigenschaften des Faserausgangsmaterials zumindest teilweise auf die entsprechenden Eigenschaften der bambusfaserhaltigen Verbunde übertragen lassen. Das gilt für Biegebelastungen in stärkerem Maße als für reine Zugbelastungen.

Tabelle 3.1

Durchschnittswerte der mechanischen Eigenschaften E_Bieg, E_Zug, σ_Bieg, σ_Zug von spritzgegossenen Kunststoffproben (PP) mit variablen Anteilen von feinteiligen Bambusfasern (Faser-∅ ≦ 0,6 mm, mittlere Faserlänge l_F ≦ 12 mm) ohne und mit Kopplereinsatz bei der Granulatherstellung (alle Meßergebnisse in MPa)

Nachfolgende positive Wirkungen der Erfindung sind aus den Ergebnissen bei Tabelle 3.1 und 3.2 erkennbar. Mit zunehmendem Fasergehalt nimmt gegenüber dem Kunststoffprimärmaterial die Schlagzähigkeit der Bambusfaserverbunde ab. Hierbei haben gröbere Faserzusätze einen weniger starken Abfall zur Folge als feinteilige Fasern. Durch den Kopplereinsatz kann der Rückgang der Schlagzähigkeit teilweise abgefangen werden. Die bei PP untersuchten Auswirkungen des Bambusfasereinsatzes auf mechanische Verbund eigenschaften treten bei anderen Thermoplasten in ähnlicher Weise auf, siehe hierzu Anwendungs-/Verwendungsbeispiele 1 und 2.

Tabelle 3.2

Durchschnittswerte der mechanischen Eigenschaften E_Bieg, E_Zug, σ_Bieg, σ_Zug von spritzgegossenen Kunststoffproben (PP) mit variablen Anteilen von grobteiligen Bambusfasern (0,6 mm ≦ Faser-∅ ≦ 1,6 mm; mittlere Faserlänge l_F ≦ 25 mm) ohne (o. K.) und mit (m. K.) Kopplereinsatz bei der Granulatherstellung (alle Meßergebnisse in MPa)

Anwendungs-/Verwendungsbeispiel 1

Als wichtiges Anwendungsbeispiel für mit Zusatz von groben Bambusfasern (d_F ≦ 1,6 mm) erreichbare Verstärkungseffekte bei anderen Thermoplasten wurde der Zuwachs der Biegebelastbarkeit σ_Bieg bei unterschiedlichem PE- Material erreicht. Die Biegebelastbarkeit von PE-Regenerat mit 30% Bambusfasern verändert sich von 5,6 MPa auf 14,8 MPa (ohne Koppler) bzw. 16,6 MPa (mit Koppler) und erreicht damit die Werte von Primärmaterial.

Durch die Zugabe von 30% Bambusfasern kann bei PE-HD Scolefin??? die Biegebruchspannung von 19,5 MPa auf 33,6 MPa (ohne Koppler) bzw. 40,6 MPa (mit Koppler) gesteigert werden.

Anwendungs-/Verwendungsbeispiel 2

Durch die Einmischung groben Bambusfasern (d_F ≦ 1,6 mm) Bambusfasern wurden bei PP-Proben folgende Ergebnisse erreicht:
mit Bambusfasern verstärktes PP erreicht bei 30% Faseranteil Biegebruch spannungen σ_Bieg = 62 MPa. Die PP-Biegebruchspannung steigt bei Bambus fasereinsatz von 50% auf σ_Bieg = 72 MPa.

Im Vergleich dazu:
mit 30% Flachsfasern verstärktes PP dagegen liefert Biegebruchspannungen σ_Bieg = 40 MPa. Die Erhöhung des Flachsfaseranteils auf 50% liefert nur Biegebruchspannungen σ_Bieg = 48 MPa.

Eine vergleichbare glasfaserverstärkte PP-Mischung (30% Glasfasern) lieferte σ_Bieg = 69 MPa.

Eine zusammenfassende Bewertung aller aufgeführten Anwendungs- und Untersuchungsbeispiele von Bambusfaserverstärkungen zeigt, dass sich die Verarbeitungsbedingungen sehr deutlich auf die nach dem Einbringen der Fasern erreichten mechanischen Eigenschaften auswirkten:
Die Bedingungen des Schmelzflusses haben beim Spritzgießprozeß offensichtlich zur Ausbildung festigkeitserhöhender texturartiger Faseranordnungen geführt.

Bei der Extrusion im steifplastischen Zustand der Faser-Thermoplast- Mischung ergeben sich als positive Wirkungen vor allem mechanische Eigenschaftsveränderungen wie die Zunahme des Biegeelastizitätsmoduls und die Fixierung der Fasern in der gewünschten geometrischen Anordnung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffverbunden mit Hilfe faserhaltiger Materialien, die den Zweck der Verstärkungsfasern erfüllen, auf der Basis nachwachsender Rohstoffe, insbesondere von Bambusfasern als Verstärkungsmaterialien für Stoffe mit makromolekularen Matrixsystemen, definiert im Sinne dieser Erfindung als aus makromolekularen Verbindungen oder Massen bestehend, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Werkstoffverbund einzubringenden Verstärkungsmaterialien entsprechend der Matrixzusammensetzung und der Anwendungsbedingungen auf unterschiedliche Feinheiten mit Faserbündeldurchmessern 0,01 mm ≦ d_F ≦ 2,0 mm, zu zerfasern, zu klassieren und danach so in den Kunststoffverbund einzubringen sind, dass hierfür an sich bekannte Verfahrensschritte und die dazu benötigten vom Grundsatz her bekannten Maschinen so miteinander kombiniert werden, dass ihnen die auf Rieselfähigkeit vorzerkleinerten, faserhaltigen, organischen Verstärkungsmaterialien mit Masseanteilen ≦ 60% und mit einer auf die anzustrebende Verstärkungsfunktion abgestimmten rieselfähigen Faserbündel dicken- und -längenverteilungen so aufgegeben werden, dass die kleinstmögliche Verweilzeit der Partikel in der thermisch belasteten Mischzone der Kunststoffverarbeitungsmaschinen erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Werkstoffverbund einzubringenden Verstärkungsmaterialien aus Bambusfasern bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Werkstoffverbund einzubringenden Verstärkungsmaterialien Feinheiten mit Faserbündeldurchmessern von vorzugsweise 0,02 mm ≦ d_F ≦ 1,6 mm aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Werkstoffverbund einzubringenden Verstärkungsmaterialien Masseanteile von vorzugsweise 10 bis 30% aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbesserung des Haftverbundes des Fasergemisches in der Kunststoffmatrix durch das Belassen oder gezielte Zumischen eines Anteils ≦ 50% fein zerfaserter Partikel mit Partikeldurch messern ≦ 0,1 mm sowie zugehörigen Partikellängen ≦ 4 ÷ 5 mm bei ggfs. gleichzeitiger Verwendung von an sich bekannten Haftvermitt lern erreicht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die an sich bekannte Extrusionsverarbeitung faserhaltiger Kunststoffverbunde überwiegend grobteilige Bambusfasern mit 0,6 mm ≦ d_F ≦ 2,0 mm bei mittleren Faserlängen l_F ≦ 25 mm in Massenanteilen ≦ 60% zum Einsatz kommen und dass zur Herstellung von spritzgußfähigen Compounds überwiegend feinteilige Bambusfasern mit 0,01 mm ≦ d_F ≦ 0,6 mm bei mittleren Faserlängen l_F ≦ 5 mm in Massenanteilen ≦ 60% verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der als Verstärkungsmaterial zu verwendende faserhaltige nachwachsende Rohstoff, vorzugsweise Bambus, in an sich bekannten Aufbereitungsmaschinen so aufbereitet wird, dass in einem ein- oder mehrstufigen Zerfaserungsprozess durch spaltende und anschließende Druck-Scher-Beanspruchung oder ausschließlich durch Druck-Scher-Beanspruchung Zerfaserungsprodukte mit einem 50% erreichenden oder überschreitenden Anteil von Partikeln mit l_Faser/d_Faser ≧ 1/50 ÷ 1/100 erreicht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verwendenden Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen sowohl lufttrocken mit Restfeuchten zwischen 10 und 15% als auch im vorgetrockneten Zustand mit einer Restfeuchte ≦ 4% dem an sich bekannten Mischaggregat, vorzugsweise als Doppelschnecken extruder ausgebildet, aufgegeben werden und dass technische Möglichkeiten der Abführung/Absaugung von beim Compoundierungs- und/oder Extrusionsprozess entstehender Gase und oder Dämpfe maschinenseitig vorgesehen sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastung der einzusetzenden Fasern durch technische Maßnahmen auf Zeiträume ≦ 3 Minuten sowie je nach verwendetem Matrixmaterial auf Aufheiztemperaturen 120°C ≦ τ_Bamb ≦ 180°C im schmelzflüssigen oder teigigen Kunststoff beschränkt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinstmögliche Verweilzeit der Partikel in der thermisch belasteten Mischzone der Kunststoffverarbeitungsmaschinen 1 bis 5 Minuten nicht überschreiten soll.