DE102013001647A1

DE102013001647A1 - Kunststoff-Bauteil aus naturfaserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102013001647A1
Application number: DE201310001647
Authority: DE
Inventors: Thomas Hönig; Dirk Berthold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem naturfaserverstärkten Kunststoffmaterial, bei dem Naturfasern (3) zur Verstärkung des Kunststoff-Bauteils in einer Kunststoff-Matrix (15), insbesondere aus Polypropylen, eingebettet sind. Erfindungsgemäß sind die Naturfasern (3) aus einem Rapsmaterial (das heißt Rapsstroh oder Rapsstängel) hergestellte Rapsfasern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Halbzeug für die Herstellung eines solchen Kunststoff-Bauteils nach dem Patentanspruch 3 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoff-Bauteils nach dem Patentanspruch 5.
Bei naturfaserverstärkten Kunststoff-Bauteilen sind als Verstärkungsfasern in erster Linie Flachs-, Hanf-, Kenaf-, Sisal-, Ramie- oder Abakafasern im Einsatz. Die entsprechenden Faserpflanzen werden speziell zur Faserherstellung angebaut, geerntet und der Faserherstellung zugeführt.
Aus der DE 198 34 048 A1 ist ein solches gattungsgemäßes Kunststoff-Bauteil für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das Kunststoff-Bauteil weist ein naturfaserverstärktes Kunststoffmaterial auf, bei dem Naturfasern zur Verstärkung des Kunststoff-Bauteils in einer Kunststoff-Matrix, zum Beispiel aus Polypropylen, eingebettet sind.
Zur Gewinnung der Naturfasern werden zunächst die Faserpflanzen abgeerntet und Strohballen daraus gepresst. Die Hackschnitzel werden einem Aufschlussprozess zugeführt, in dem die Naturfasern vom verbleibenden Pflanzenmaterial separiert werden. Der Aufschlussprozess erfolgt durch mehrfache Brechungen der im Trockenzustand befindlichen Faserstängel, etwa in einem Walzwerk. Anschließend erfolgt eine Siebung, bei der die Naturfasern vom verbleibenden Material getrennt werden. Die vereinzelten Naturfasern werden mit Kunststofffasern gemischt und zu einem Faservlies verfestigt. Das Faservlies kann als Halbzeug einer Thermoumformung unterworfen werden, bei der das Faservlies zunächst über eine Schmelztemperatur der Kunststofffasern erhitzt und anschließend unter Abkühlung in das formgebende Werkzeug eingelegt und zum Kunststoff-Bauteil geformt wird.
Die zur Herstellung dieser Naturfasern verwendeten gängigen Faserpflanzen werden in eigens dafür vorgesehenen landwirtschaftlichen Nutzflächen angebaut. Diese eigentlich getreidefähigen Nutzflächen sind für die Lebensmittelproduktion verloren, so dass die Naturfaser-Herstellung in unmittelbarer Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion steht.
Aus der weiteren DE 103 46 427 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verfestigen einer Faservliesbahn bekannt, bei dem die Fasern eines noch losen Faserverbunds mittels einer Nadelungstechnik miteinander verbunden werden. Hierzu wird der noch lose Faserverbund mittels einer Vielzahl hin- und herbewegenden Nadeln durchstochen, wodurch die Fasern miteinander verflochten oder verknotet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kunststoff-Bauteil mit naturfaserverstärktem Kunststoffmaterial bereitzustellen, bei dem im Hinblick auf eine vollständige Entkoppelung von der Lebensmittelproduktion auf die gängigen Naturfasern verzichtet wird.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, des Patentanspruches 3 oder des Patentanspruches 5 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, zur Herstellung von Naturfasern Faserpflanzen zu verwenden, deren Primärpflanzenstoffe zum Beispiel der Lebensmittelproduktion zugeführt werden und deren bislang ungenutztes Fasermaterial einer Sekudärverwendung zugeführt wird, das heißt einer Weiterverarbeitung zur Herstellung von Naturfasern. Eine solche Sekundärverwendung des Fasermaterials ist im Gegensatz zur gängigen Faserherstellung vollständig entkoppelt von der Lebensmittelproduktion. Vor diesem Hintergrund sind gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Naturfasern aus einem Rapsmaterial (Rapsstroh oder Rapsstängel) hergestellte Rapsfasern.
Speziell beim Rapsanbau wird bislang lediglich der Fruchtstand der Rapspflanze abgeerntet und weiterverarbeitet. Der das Fasermaterial tragende Rapsstängel verbleibt dagegen derzeit noch ungenutzt auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche und wird zur Verwendung als Biomasse umgepflügt.
Die Verwendung solcher Rapsstängel eröffnet große Möglichkeiten der ökologischen und ökonomischen Werkstoffoptimierung und Wertschöpfungserhöhung von naturfaserverstärkten Kunststoff-Bauteilen und Halbzeugen. Es ergeben sich große Vorteile dahingehend, dass die Kosten, welche für die landwirtschaftlichen Nutzflächen, den Anbau und den Transport von Faserpflanzen aufgebraucht werden müssen, entfallen. Die Rapsernte liefert bereits positive Deckungsbeiträge, weshalb die Erntereste derzeit als Abfallprodukte betrachtet und bislang keiner stofflichen Weiternutzung zugeführt werden.
Die erfindungsgemäßen Kunststoff-Bauteile können für Türinnenverkleidungen, Armauflagen, Kartentaschen, Radhausschalen, etc. verwendet werden.
Vorteilhaft sind die Rapsfasern, im Gegensatz zu den gängigen, oben genannten Naturfasern, nicht Langfasern, sondern Kurzfasern, insbesondere bis zu einer Faserlänge von etwa 20 mm. Versuche haben gezeigt, dass speziell solche kurzfasrigen Rapsfasern im Hinblick auf eine einwandfreie Verstärkung des Kunststoff-Bauteiles gegenüber langfasrige Naturfasern keine Eigenschaftsveränderungen hervorrufen.
Die Rapsfasern können wie folgt hergestellt werden: Zunächst werden nach bereits erfolgter Aberntung des Fruchtstandes die Rapsstängel der Rapsfasern geschnitten und zu Hackschnitzel, insbesondere einer Länge im Bereich von 20 bis 50 mm, verarbeitet. Die Hackschnitzel werden anschließend in einem Aufschluss-Verfahrensschritt weiterverarbeitet, in dem die Rapsfasern vom verbleibenden Rapsmaterial getrennt werden.
Bei der Herstellung gängiger Naturfasern werden die Faserpflanzen-Hackschnitzel üblicherweise im Trockenzustand einer mehrfachen Brechung, zum Beispiel in einem Walzwerk, zugeführt. Dadurch separieren sich die Naturfasern voneinander. Anschließend erfolgt eine Siebung, bei der die voneinander separierten Naturfasern vom verbleibenden Pflanzenmaterial getrennt werden.
Ein solches herkömmliches Aufschlussverfahren kann auch bei Rapsfasermaterial angewendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass speziell bei Rapsfasermaterial aufgrund der kurzen Rapsfasern eine vollständige Separierung der Fasern nicht erfolgt, sondern vielmehr einzelne Faserbündel verbleiben. Vor diesem Hintergrund ist es besonders von Vorteil, wenn die Raps-Hackschnitzel in einem speziellen Refining-Prozeß aufgeschlossen werden, bei dem die Hackschnitzel zunächst unter hoher Temperatur, etwa bei 150° bis 180°C, in Wasser gekocht und anschließend, zum Beispiel in einem Mahlwerk, mechanisch zerfasert werden. Darauffolgend können die Rapsfasern in einer Siebung vom verbleibenden Rapsmaterial getrennt werden.
Anschließend können die Rapsfasern in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis mit Kunststofffasern, zum Beispiel aus Polypropylen, vermischt und einer Faservlies-Herstellung zugeführt werden. Bei der Faservlies-Herstellung wird aus der Fasermischung ein noch loser, plattenförmiger Faserverbund gebildet. Die durchmischten Raps- und Kunststofffasern des Faserverbunds werden dann mittels einer Nadelungstechnik miteinander verbunden. Bei der Nadelungstechnik wird der lose Faserverbund mittels einer Vielzahl von sich hin- und herbewegenden Nadeln durchstochen, wodurch die Fasern miteinander verflochten oder verknotet werden.
Alternativ zur oben dargelegten Nadelungstechnik können bei dem noch losen Faserverbund die Ober- und Unterseiten bis auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die oberflächennahen Kunststofffasern plastifizieren und dadurch die Rapsfasern stoffschlüssig miteinander verbinden. Hierdurch entsteht ein ebenfalls handlingfähiges Halbzeug.
Die so gefertigten Halbzeuge können dann einer Thermoumformung unterworfen werden, bei der zunächst ein Faservlies-Zuschnitt in einem Heizschritt bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern erhitzt wird. Anschließend wird der erhitzte Faservlies-Zuschnitt einem formgebenden Werkzeug zugeführt, in dem es unter Abkühlung zum Kunststoff-Bauteil geformt wird.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ansicht, in der Verfahrensschritte zur Herstellung eines als Halbzeug verwendeten Faservlies-Zuschnittes veranschaulicht ist;
2 eine Ansicht, in der Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kunststoff-Bauteiles veranschaulicht sind; und
3 eine Ansicht, in der Verfahrensschritte eines speziellen Aufschlussvorganges veranschaulicht sind.
In der 1 sind Verfahrensschritte zur Herstellung eines als Halbzeug verwendeten Faservlies-Zuschnitts 1 veranschaulicht. Der Faservlies-Zuschnitt 1 setzt sich aus miteinander durchmischten Rapsfasern 3 sowie Polypropylen-Kunststoffasern 5 zusammen und ist mittels Thermoumformung zu einem Kunststoff-Bauteil formbar, wie später anhand der 2 beschrieben ist.
Als Ausgangsmaterial für die Rapsfasern 3 dient eine in der 1 grob schematisch dargestellte Rapspflanze 7. Die Rapspflanze 7 weist einen Rapsstängel 9 und einen beispielsweise zu Lebensmitteln verarbeitbaren Fruchtstand 11 auf. Die Rapsstängel 9 der Rapspflanze 7 werden zur Herstellung der Rapsfasern 3 des Faservlies-Zuschnitts 1 verwendet.
Zur Herstellung der Rapsfasern 3 werden die Rapsstängel 9 nach dem Abernten des Fruchtstands 11 zuerst geschnitten und zu Hackschnitzeln 13 mit einer Länge von beispielhaft 20 bis 50 mm verarbeitet. Die Hackschnitzel 13 werden anschließend in einem ersten Verfahrensschritt I aufgeschlossen, in dem die Rapsfasern 3 aus den Hackschnitzeln 13 des Rapsstängels 9 gewonnen werden. Das Aufschließen der Hackschnitzel 13 erfolgt in einem speziellen Refining-Prozess, bei dem die Hackschnitzel 13 gemäß der 3 in einem ersten Teilschritt a bei etwa 150°C bis 180°C in Wasser gekocht und anschließend in einem zweiten Teilschritt b in einem Mahlwerk mechanisch zerfasert werden, wodurch eine vollständige Separierung der Rapsfasern 3 vom verbleibenden Rapsmaterial erfolgt. Schließlich werden in einem dritten Teilschritt c die Rapsfasern 3 in einer Siebung vom verbleibenden Rapsmaterial getrennt, so dass kurzfasrige Rapsfasern 3 mit einer Länge von beispielhaft 20 mm gewonnen werden.
Im weiteren Verfahrenslauf werden die vereinzelten Rapsfasern 3 in einem zweiten Verfahrensschritt II (1) mit den Polypropylen-Kunststoffasern 5 nach einem vorgegebenen Mischungsverhältnis vermischt. Im Anschluss daran wird in einem dritten Verfahrensschritt III aus den vermischten Raps- und Kunststoffasern 3 und 5 ein loser, plattenförmiger Faserverbund gebildet. Die Raps- und Kunststoffasern 3 und 5 des Faserverbunds werden mittels einer Nadelungstechnik miteinander verflochten und/oder verknotet, so dass die Raps- und Kunststoffasern 3 und 5 unter Bildung des Faservlies-Zuschnitts 1 miteinander verbunden sind. Alternativ zur Nadelungstechnik können die Ober- und Unterseiten des plattenförmigen Faserverbunds bis in den Bereich der Schmelztemperatur der Kunststoffasern 5 erhitzt werden. Dadurch schmelzen und plastifizieren die oberflächennahen Kunststoffasern 5 des Faserverbunds, wodurch dem entstehenden Faservlies-Zuschnitt 1 eine gewisse Stabilität verliehen wird.
Die Weiterverarbeitung des als Halbzeug verwendeten Faservlies-Zuschnitts 1 zu einem Kunststoff-Bauteil geht aus der 2 hervor. Der Faservlies-Zuschnitt 1 wird hierfür zunächst in einem Heizschritt IV bis über die Schmelztemperatur der Kunststoffasern 5 erhitzt, so dass die Kunststoffasern 5 zu einer plattenartigen Kunststoff-Matrix 15 verschmelzen, in der die Rapsfasern 3 eingebettet sind. Anschließend wird der erhitzte Faservlies-Zuschnitt 1 in einem Thermoform-Schritt V einem formgebenden Werkzeug 17 zugeführt, in dem der Faservlies-Zuschnitt 1 unter Abkühlung zum Kunststoff-Bauteil geformt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19834048 A1 [0003]
DE 10346427 A1 [0006]

Claims

Kunststoff-Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem naturfaserverstärkten Kunststoffmaterial, bei dem Naturfasern (3) zur Verstärkung des Kunststoff-Bauteils in einer Kunststoff-Matrix (15), insbesondere aus Polypropylen, eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern (3) aus einem Rapsmaterial (7) hergestellte Rapsfasern sind.
Kunststoff-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Kunststoff-Matrix (15) eingebetteten Rapsfasern (3) Kurzfasern, insbesondere bis zu einer Faserlänge von etwa 10 bis 30 mm, insbesondere 20 mm, sind.
Halbzeug für die Herstellung eines Kunststoff-Bauteils nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug ein Faservlies-Zuschnitt (1) ist, der miteinander durchmischte Rapsfasern (3) und das Matrix-Material (15) bildende Kunststofffasern (5) enthält.
Halbzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Raps- und Kunststofffasern (3, 5) in dem Faservlies-Zuschnitt (1) mittels Nadelungstechnik miteinander verbunden, das heißt verflochten oder verknotet sind.
Halbzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Faservlies-Zuschnitt (1) die oberflächennahen Kunststofffasern (5) an der Ober- und Unterseite des Faservlies-Zuschnitts (1) durch Wärmebehandlung plastifiziert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Bauteils nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei insbesondere in dem Verfahren als Halbzeug ein Faservlies-Zuschnitt (1) aus Raps- und Kunststofffasern (3, 5) in einem Heizschritt (IV) bis über die Schmelztemperatur der Kunststofffasern (5) erhitzt wird, und der erhitzte Faservlies-Zuschnitt (1) in einem nachfolgenden Thermoform-Schritt (V) einem formgebenden Werkzeug (17) zugeführt wird und unter Abkühlung zum Kunststoff-Bauteil geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Rapsfasern (3) die Rapsstängel (9) von Rapspflanzen (7) zu Hackschnitzel (13), insbesondere einer Länge im Bereich von 20 bis 50 mm, verarbeitet werden, und in einem Aufschluss-Schritt (I) die Rapsfasern (3) vom verbleibenden Rapsmaterial getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aufschluss-Schritt (I) die Hackschnitzel (13) unter hoher Temperatur, etwa bei 150°C bis 180°C, gekocht anschließend mechanisch zerfasert werden, etwa in einem Mahlwerk, und dass darauffolgend in einem Sieb-Schritt (II) die Rapsfasern (3) vom verbleibenden Rapsmaterial getrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des als Halbzeug verwendbaren Faservlies-Zuschnitts (1) die Rapsfasern (3) und die Kunststofffasern (5) zu einem losen Faserverbund durchmischt werden, und dass anschließend die durchmischten Raps- und Kunststofffasern (3, 5) des noch losen Faserverbunds mittels einer Nadelungstechnik miteinander verbunden werden, bei der der Faserverbund mittels einer Vielzahl von sich hin- und herbewegenden Nadeln durchstochen wird und die Fasern (3, 5) miteinander verknoten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des als Halbzeug verwendbaren Faservlies-Zuschnitts (1) die Raps- und Kunststofffasern (3, 5) durchmischt und anschließend die Ober- und Unterseiten des noch losen Faserverbunds bis auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die oberflächennahen Kunststofffasern (5) plastifizieren und die Rapsfasern (3) stoffschlüssig miteinander verbinden.