DE102004060741A1

DE102004060741A1 - Verbundbauteil aus Pflanzenfaserstängeln

Info

Publication number: DE102004060741A1
Application number: DE200410060741
Authority: DE
Inventors: Klaus Philipp; Stefan Riesinger; Eberhard Prof. Köhler; Jürgen Dr. Paulitz; Wolfgang Dr. Nendel; Torsten BRÜCKNER; Roman Rinnberg
Original assignee: Polytec Interior GmbH
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29
Also published as: EP1824650A2; WO2006063975A2; WO2006063975A3; EP1824650B1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundbauteil aus Pflanzenfaserstängeln, umfassend eine Stängelmatte aus feldseitig unbehandelten, ungerösteten, feldtrockenen und gequetschten Pflanzenfaserstängelabschnitten in ungeordneter Verteilung im wesentlichen zwischen einem unteren Trägermaterial und einem oberen Trägermaterial, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundbauteil aus Pflanzenfaserstängeln, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie eine entsprechende Vorrichtung.

Naturfaserverbundwerkstoffe (nachfolgend Verbundbauteile) sind nach dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Wesentliches Kriterium beim Einsatz sind hierbei ein günstiges Crashverhalten, eine relativ geringe Dichte, relativ gute Wärmebeständigkeit für den Bauteilherstellungsprozess, geringe Abrasivität der Fasern sowie eine CO₂-Neutralität im Rahmen einer thermischen Entsorgung.

Nach dem Stand der Technik sind auch technische Lösungen bekannt, die ganze Pflanzenstängel verarbeiten, indem diese gehäckselt und in Längsrichtung aufgerissen werden sollen. Eine derartige Anwendung wird in DE 44 32 952 A1 beschrieben. Aufgabe dieser Anmeldung ist es dabei, dass die Fasern oder Halme zerspant vorliegen, um eine dauerhaft formbeständigen und für hohe Belastungen geeigneten Verbundwerkstoff zu erhalten. Mit dem Aufreißen des Halmmaterials in Längsrichtung soll erreicht werden, dass die inneren Spannungen des Halmmaterials aufgelöst werden und somit eine Rückverformung vermieden werden kann. Nachteilig kann bewertet werden, dass über einen Häckselvorgang gleichzeitig ein Aufreißen in Längsrichtung verursacht wird, da eine geordnete Halmverarbeitung nicht möglich ist. Die beschriebene technische Umsetzbarkeit bleibt somit unklar, da auch Aussagen über die reproduzierbare Bereitstellung des Ausgangsmaterials unberücksichtigt bleiben.

Weiterhin wird nach DE 19 732 077 A1 ein Verfahren zur Behandlung und Verarbeitung von nachwachsenden Rohstoffen beschrieben. Hierbei soll eine Vorbehandlung der nachwachsenden Rohstoffe entfallen und die Verwendung von Pflanzen als Ganzes sowie im noch grünen Zustand erfolgen. Kerngedanke bei dieser Anmeldung ist die Nutzung der pflanzeneigenen Inhaltsstoffe als Bindemittel für die eigentliche Bauteilherstellung, wobei die Pflanze als Ganzes verwertet werden soll. Eine gezielte Nutzung der natürlichen Fasern für Verstärkungszwecke wird nicht berücksichtigt, so dass eine Anwendung für belastete Bauteile ausscheidet.

Nach DE 19 744 988 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von flächigen Halbzeugen aus Flachs beschrieben. Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flächigen Halbzeugen aus Flachs, bei dem die Flachsstängel direkt nach dem Ernten gepresst werden, wobei der Holzanteil der Flachsstängel erhalten bleiben soll und mit den Faserfilamenten verbunden bleibt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verarbeitung direkt in einem Arbeitsgang mit einer modifizierten Erntemaschine erfolgt. Mit dieser Maschine sollen Wurzelbestandteile und Samenkapseln entfernt, die Stängel über Quetschwalzen gepresst und anschließend einer Vlieslegemaschine zugeführt werden. Wesentlicher Nachteil dieser Erfindung ist die vorgesehene Kopplung der konzipierten speziellen Erntetechnik mit integrierter Quetscheinrichtung sowie das Herstellen von flächigen Halbzeugen in einer Vlieslegemaschine. Hierbei ist zu bemerken, dass mit derart aufbereiteten Flachsstängelmaterialien keine Verarbeitung auf einer Vlieslegemaschine möglich ist, da es hierbei sofort zu Verunreinigungen der Funktionselemente der Vlieslegemaschine kommen würde. Weiterhin würde der ursprüngliche Gedanke, die Faserpflanze als Ganzes zu nutzen, verloren gehen, da eine Halbzeugherstellung auf einer Vlieslegemaschine zu erheblichen Entholzungseffekten führen würde.

In dem Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus fasrigen Pflanzenteilen und entsprechender Formkörper nach DE 19 618 271 C2 wird ausschließlich auf eine geeignete Faserimprägnierung orientiert, um gute Bauteileigenschaften zu erhalten. Dabei bleibt unberücksichtigt, dass hierzu die Faserbereitstellung und Aufbereitung eine bedeutende Rolle spielen.

Nach DE 19 822 485 A1 wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formkörpern beschrieben. Der Kerngedanke liegt hierbei in der Schaffung einer besseren Faserausnutzung durch eine gezielte Aufbereitungs- und Verarbeitungstechnik. Hierbei ist zuerst eine Zerkleinerung mit anschließender Erhitzung sowie eine anschließende Nachzerkleinerung vorgesehen und erst dann soll der Einsatz von Bindemittel erfolgen. Der Vorteil wird damit begründet, dass ein aufwendiger Faseraufschluss entfallen kann. Es ist jedoch zu bemerken, dass eine Verarbeitung mit zusätzlicher Erhitzung zu hohe Kosten für das spätere Bauteil verursacht.

Nach DE 36 02 381 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von platten- oder blockförmigen Bauelementen beschrieben. Dieses Verfahren bleibt in seiner Beschreibung ausschließlich auf Getreidestroh beschränkt, wobei ein zusätzlicher Nachteil darin zu sehen ist, dass das Strohmaterial ohne zusätzliche Behandlung mit einer wässrigen Klebstofflösung versehen wird, um eine anschließende Bauteilherstellung zu ermöglichen. Hierbei bleibt unberücksichtigt, dass insbesondere Getreidehalme mit einer äußeren Wachsschicht versehen sind, die die Funktion von Bindemitteln ohne eine zielgerichtete Vorbehandlung stark behindern.

Ausgehend vom Stand der Technik besteht das Ziel der Erfindung in der Schaffung eines Verbundbauteils aus Faserpflanzenstängeln von Flachs sowie ausführungsgemäßen Vorrichtungen zur Herstellung des Verbundbauteils, welches aus unbehandelten, ungerösteten, feldtrockenen Flachsstängeln besteht. Zielstellung ist es hierbei den technischen und technologischen Aufwand dadurch zu minimieren, indem vorhandene Erntetechnik zur Anwendung kommt, der Faserpflanzenstängel in seiner Gesamtheit genutzt werden soll und so die Aufbereitungskosten spürbar reduziert werden können, da auch eine aufwendige Feldröste entfällt, die Stängelaufbereitung nur zur Oberflächenvergrößerung durch Quetschen realisiert wird sowie bestehende Fertigungseinrichtungen zur Bauteilherstellung genutzt werden können. Damit kann eine deutliche Kostenreduzierung für das faserstängelverstärkte Verbundbauteil erzielt werden.

Zur Umsetzung dieser Zielstellung ist vorgesehen, dass die Flachsstängel mit konventioneller Erntetechnik in Parallellage zur Feldtrocknung abgelegt werden und wenn erforderlich auch gewendet werden, mit einer Ballenpresse zu Rundballen für den weiteren Verarbeitungsprozess ebenfalls in Parallellage vom Feld geborgen werden, mit einer Ballenpresse ebenfalls in Parallellage vom Feld geborgen und so dem weiteren Verarbeitungsprozess bereitgestellt werden. In einer nachgeordneten stationären Verarbeitungsstufe erfolgt das Abtrennen von Wurzelbestandteilen sowie Samenkapseln, nachdem der Rundballen mit einer gebräuchlichen Einrichtung abgerollt wurde.

Hieran anschließend werden die in paralleler Lage befindlichen Stängel in definierte Stängelabschnitte mit vorzugsweise 1 bis 15 cm Länge geschnitten. In einem weiteren Prozessabschnitt werden diese eingekürzten Stängelabschnitte über ein Quetsch-Scherwalzwerk an der Oberfläche so gequetscht, dass dabei weder die Faserstruktur beschädigt noch ein Ablösen einzelner Stängelbestandteile von der Faser bewirkt wird.

Die derart aufbereiteten Stängelabschnitte werden anschließend vorzugsweise auf eine Trägerstruktur aufgestreut und nähwirktechnisch zu flächigen Halbzeugen abgebunden oder aber direkt nach dem Aufstreuen der Bauteilherstellung mittels Presstechnologie zugeführt.

Zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung sind in 1 die Aufbereitung der Flachsstängelabschnitte und in 2 die Herstellung der erfindungsgemäßen Halbzeuge für entsprechende Verbundbauteile dargestellt.
Gemäß 1 werden die Flachsstängel in Ballen mit paralleler Stängellage 1 für die Weiterverarbeitung bereitgestellt. In der weiteren technologischen Abfolge erfolgt das Abtrennen von Wurzelbestandteilen wie auch der Samenkapseln über entsprechende Trennwerkzeuge 2. Zur Gewährleistung eines entsprechend geordneten Stängeltransportes nach dem Abrollen des Ballens 1 sind zur Transportunterstützung Transportrollen 3 angeordnet. Wurzel- und Samenkapselbestandteile werden für die weitere Bearbeitung vorzugsweise aus dem Verarbeitungsprozess abgeleitet, sodass nur noch Stängel mit annähernd homogener Länge weiterverarbeitet werden. Diese Stängel werden anschließend mit Trennmessern 5 in ca. 1 bis 15 cm große Stängelabschnitte 6 geschnitten, die über ein Transportband 4 für die weitere Verarbeitung einem Pufferbehälter 7 zugeführt werden. Damit wird ein technisches Lösungskonzept zur Verarbeitung ganzer Stängel der Flachspflanze konzipiert, dass unter Nutzung verfügbarer Erntetechnik sowie bekannter Ernteabläufe realisiert werden kann. Damit können ohne die übliche Feldröste bei verminderten Feldliegezeiten die kompletten Pflanzenstängel verarbeitet werden, wodurch eine deutlich höhere Pflanzenausbeute bewirkt wird, die stängelbasierte Faserstruktur komplett erhalten werden kann und zugleich erhebliche Aufbereitungskosten eingespart werden können. Zur Weiterverarbeitung der Stängelabschnitte 6 werden diese über eine Streueinrichtung 8 exakt dosiert einer Quetscheinrichtung 10 zugeführt. Über die Quetscheinrichtung 10 erfolgt eine gezielte Oberflächenmodifizierung der Stängelabschnitte 6, um im weiteren Verarbeitungsprozess zu gewährleisten, dass ein optimale Einbindung in entsprechende Matrixsysteme möglich ist, indem die Oberfläche durch die Quetscheinrichtung aufgebrochen wird, aber nur soweit, dass alle Pflanzenbestandteile erhalten bleiben und Faserschädigungen nicht erfolgen. Erst dadurch kann ein sehr hoher Ausnutzungsgrad der Pflanzenstängel erreicht werden. Nach dem Quetschen der Stängelabschnitte 6 werden diese auf ein unteres Trägermaterial 9 aufgestreut, bevor ein oberes Trägermaterial 11 über die Stängelmatte 15 aufgebracht wird. Über ein Transportband 16 wird die Stängelmatte 15 mit oberem und unterem Trägermaterial 11, 9 durch ein Andrückwalzenpaar 14 bewegt, bevor über eine Fixiereinrichtung 12 die Stängelmatte mit dem oberen und unteren Trägermaterial 11, 9 verbunden wird. Die Fixierung der Stängelmatte 15 kann sowohl unter Nutzung nähtechnischer Wirkprinzipien über die Fixiereinrichtung 12 erfolgen, es können aber auch entsprechende Bindemittel nach vorherigem Einbringen zur Verfestigung der Stängelmatte 15 eingesetzt werden. Nach Beendigung des Fixiervorganges erfolgt die Speicherung wahlweise in einer Halbzeugrolle 13 oder in Form von gestapelten ebenen Zuschnitten. Alle weiteren Verarbeitungsstufen bis zur Bauteilherstellung können in bekannter Art und Weise erfolgen.
Die Herstellung von Verbundbauteilen aus Ausgangsmaterialien, in denen die ursprüngliche Struktur der Faserpflanzenstängel weitestgehend erhalten ist, führt somit zu erheblichen Kostenreduzierungen innerhalb der gesamten Prozesskette.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verbundbauteil eine Stängelmatte 15 aus feldseitig unbehandelten, ungerösteten, feldtrockenen und gequetschten Pflanzenfaserstängelabschnitten 6 in ungeordneter Verteilung im wesentlichen zwischen einem unteren Trägermaterial 9 und einem oberen Trägermaterial 11.
Die Stängelabschnitte 6 des Verbundbauteils liegen in diesen nicht in loser Form vor, sondern sind an ein oberes und unteres Trägermaterial 9, 11 gebunden. Besonders bevorzugte Materialien zur Einbindung der Stängelabschnitte 6 sind Polyolefine, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyester oder auch Mischungen daraus. Alternative Materialien hierzu ebenfalls einsetzbar.
Obwohl die Pflanzenfaserstängelabschnitte 6 aus beliebigem Material hergestellt werden können, ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, dass die Faserstängelabschnitte 6 Flachsfasern enthalten. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es, wenn die Stängelabschnitte 6 aus Flachsfasern bestehen. Das Gewichtsverhältnis des Trägermaterials 9, 11 zu den Stängelabschnitten 6 kann in großen Grenzen variiert werden. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundbauteil, das 45 bis 85 Gew.-% der Stängelabschnitte enthält.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Stängelabschnitte 6 mit einer Länge von 1 bis 15 cm, insbesondere 3 bis 10 cm.
Neben den eingangs definierten Materialien des Verbundbauteils nämlich dem Trägermaterial und den Stängelabschnitten kann das erfindungsgemäße Verbundbauteil, das im Wesentlichen aus fixierten Stängelabschnitten 6 besteht, weitere Oberflächenschichten, wie beispielsweise Dekorschichten und gegebenenfalls zusätzliche Materialkomponenten wie Naturfaser-, Polyester-, Viskose-Vliese, mit PP, PE, PA beschichtete Abdeckschichten und Trägermaterialien aufweisen, die durch das strukturgebende Werkzeug eingearbeitet bzw. aufgebracht werden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Bauteilen. Das so definierte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man

(a) unbehandelte, ungeröstete, feldtrockene, Wurzel- und Samenbestandteil-freie Pflanzenfaserstängel in definierte Stängelabschnitte 6 kürzt und über ein Quetsch-/Scherwalzwerk vorbehandelt,
(b) anschließend auf ein unteres Trägermaterial 9 streut,
(c) die Stängelabschnitte 6 auf dem unteren Trägermaterial 9 fixiert,
(d) ein oberes Trägermaterial 11 auf die Stängelmatte 15 aufbringt,
(e) den erhaltenen Verbund als Halbzeug in Rollen oder Zuschnitt überführt und
(f) in an sich bekannter Weise zu dem gewünschten Verbundbauteil verarbeitet.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen von oben definierten Verbundbauteilen. Diese Vorrichtung umfasst ein Werkzeug mit entsprechend angeordneten Trennwerkzeugen 2, die Pflanzenfaserstängel von Wurzel- und Samenbestandteilen befreien, Trennmessern 5 zur Erzeugung von Stängelabschnitten 6 in einem variierbaren Abstand, Quetscheinrichtungen 10, Ablageeinrichtungen mit Transportwalzen 3 für ein unteres Trägermaterial 9 unterhalb der Quetscheinrichtung 10, Streueinrichtungen 8 zum Aufstreuen der Stängelabschnitte 6 auf das untere Trägermaterial 9, Fixiereinrichtungen 12 zum Fixieren der Stängelabschnitte 6 auf dem unteren Trägermaterial 9, Transporteinrichtungen 16 zum Transport des mit den Stängelabschnitten 6 versehenen unteren Trägermaterials 9 zu einem Andrückwalzenpaar 14, Transporteinrichtungen 16 zur Ablage des oberen Trägermaterials 11 auf dem mit Stängelabschnitten 6 versehenen unteren Trägermaterial 9 und zum Transport zum Andrückwalzenpaar 14 und Wickeleinrichtungen zur Herstellung einer Halbzeugrolle 13 und/oder eine Stanzeinrichtung zur Herstellung eines ebenen Zuschnitts.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die Quetscheinrichtung 10 strukturierte gegenläufig rotierende Walzenpaare 17, die hinsichtlich des Prozessspalts wie auch in ihrer Drehzahl und auch der Geschwindigkeit zueinander verstellbar angeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Zusatzeinrichtung zur Fertigstellung der Verbundbauteile im Anschluss an die Fixiereinrichtung 12.

1: Ballen mit paralleler Stängellage
2: Trennwerkzeuge
3: Transportwalzen
4: Transportband
5: Trennmesser
6: Stängelabschnitte
7: Pufferbehälter
8: Streueinrichtung
9: Unteres Trägermaterial
10: Quetscheinrichtung
11: Oberes Trägermaterial
12: Fixiereinrichtung
13: Halbzeugrolle
14: Andrückwalzen
15: Stängelmatte
16: Transportband
17: Walzenpaar

Claims

Verbundbauteil umfassend eine Stängelmatte (15) aus feldseitig unbehandelten, ungerösteten, feldtrockenen und gequetschten Pflanzenfaserstängelabschnitten (6) in ungeordneter Verteilung im wesentlichen zwischen einem unteren Trägermaterial (9) und einem oberen Trägermaterial (11).
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (9) und/oder das Trägermaterial (11) Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen sowie Polyester und/oder Viskose enthält.
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstängelabschnitte (6) Flachsfasern enthalten, insbesondere aus Flachsstängeln bestehen.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pflanzenfaserstängelabschnitte (6) eine Länge von 1 bis 15 cm, insbesondere 3 bis 10 cm aufweisen.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich zum strukturgebenden Halbzeug, das im wesentlichen fixierte Stängelabschnitte (6) enthält, weitere Oberflächenschichten und gegebenenfalls zusätzliche Materialkomponenten aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man (a) unbehandelte, ungeröstete, feldtrockene, Wurzel- und Samenbestandteil-freie Pflanzenfaserstängel in definierte Stängelabschnitte (6) kürzt und über ein Quetsch-/Scherwalzwerk vorbehandelt, (b) anschließend auf ein unteres Trägermaterial (9) streut, (c) die Stängelabschnitte (6) auf dem unteren Trägermaterial (9) fixiert, (d) ein oberes Trägermaterial (11) auf die Stängelmatte (15) aufbringt, (e) den erhaltenen Verbund als Halbzeug in Rollen oder Zuschnitt überführt und (f) in an sich bekannter Weise zu dem gewünschten Verbundbauteil verarbeitet.
Vorrichtung zur Herstellung von Verbundbauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfassend ein Werkzeug mit entsprechend angeordneten Trennwerkzeugen (2), die Pflanzenfaserstängel von Wurzel- und Samenbestandteilen befreien, Trennmessern (5) zur Erzeugung von Stängelabschnitten (6) in einem variierbaren Abstand, Quetscheinrichtungen (10), Ablageeinrichtungen mit Transportwalzen (3) für ein unteres Trägermaterial (9) unterhalb der Quetscheinrichtung (10), Streueinrichtungen (8) zum Aufstreuen der Stängelabschnitte (6) auf das untere Trägermaterial (9), Fixiereinrichtungen (12) zum Fixieren der Stängelabschnitte (6) auf dem unteren Trägermaterial (9), Transporteinrichtungen (16) zum Transport des mit den Stängelabschnitten (6) versehenen unteren Trägermaterials (9) zu einem Andrückwalzenpaar (14), Transporteinrichtungen (16) zur Ablage des oberen Trägermaterials (11) auf dem mit Stängelabschnitten (6) versehenen unteren Trägermaterial (9) und zum Transport zum Andrückwalzenpaar (14) und Wickeleinrichtungen zur Herstellung einer Halbzeugrolle (13) und/oder eine Stanzeinrichtung zur Herstellung eines ebenen Zuschnitts.
Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Quetscheinrichtung (10) strukturierte gegenläufig rotierende Walzenpaare (17) aufweist, die hinsichtlich Prozessspalt wie auch in ihrer Drehzahl und auch der Geschwindigkeit zueinander verstellbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Zusatzeinrichtung zur Fertigstellung der Verbundbauteile im Anschluss an die Fixiereinrichtung (12).