DE102016009794A1

DE102016009794A1 - Konstruktiver Hybridlaserverbundwerkstoff aus Bambus oder Flachs

Info

Publication number: DE102016009794A1
Application number: DE102016009794.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Hybridfaserverbundwerkstoff für den modernen konstruktiven Leichtbau, bestehend aus Bambusfaserbündeln, Fasern von Rohrpflanzen wie Arundo donax oder Flachsfasern, die durch eine Ummantelung aus hochstabilen Naturfasern wie Jute, Hanf und Flachs oder Kunstfasern in einen größeren Verbund gebracht werden. Alternativ können die Bambusfasern auch um einen Kern aus genannten Fasern angeordnet sein. Die Kombination zweier unterschiedlicher Fasern zu einem Hybridfaserverbundwerkstoff (Hybrid-FVK) macht es möglich, Naturfasern auch in konstruktiv anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie dem Automobil-, Luftfahrt- und Transportsektor zu verwenden.

Description

Die Erfindung beschreibt eine neue Verwendung für das seit Jahrhunderten als Bau- und Konstruktionsmaterial geschätzte Riesengras Bambus und ähnliche einheimische Rohrpflanzen, wie etwa das Pfahlrohr Arundo donax oder auch bereits technisch genutzte Pflanzen (z. B. Flachs). Um eine Ablösung der Produktion vom Erdöl zu schaffen, werden insbesondere leichte, hochstabile Materialien benötigt, die bestenfalls auch einen Beitrag zur Verminderung des Klimawandels leisten können. Naturfasern wie die Bambus- und Flachsfasern besitzen ein auffallend hohes Young'sches Elastizitätsmodul und sind damit prädestiniert, um als das Baumaterial der Zukunft gehandelt zu werden.
Hintergrund der Erfindung
Leichtbau ist ein Prinzip, das in vielen Bereichen des Bauwesens, so etwa der Luftfahrt oder der Elektroautos, angewandt wird. Für die zukünftige Entwicklung im Leichtbau ist es wichtig, neuere Materialien mit hoher Nachhaltigkeit zu haben.
Holz ist seit Jahrhunderten ein bevorzugtes Baumaterial, das zugleich nachhaltig und umweltsicher gewonnen werden kann. Seine limitierenden Faktoren sind das recht niedrige E-Modul und die Anfälligkeit gegenüber Feuchtigkeit und Tierfraß. Holz besitzt darüber hinaus keinerlei feuerabweisende Eigenschaften. All diese Probleme haben in der Vergangenheit zu Optimierungen in der Struktur von Holz geführt und die unterschiedlichsten Schutzverfahren wurden angewendet: so zum Beispiel die Acetylierung der Cellulosestruktur (Celluloseacetat). Die bislang vorhandenen Holzverbundwerkstoffe bzw. kunstoffähnlichen Holzabkömmlinge (Wood-Plastic-Composite, WPC) sind für einfache, konstruktive Arbeiten zu verwenden, die nur geringe Anforderungen an Stabilität erfüllen müssen.
Die derzeitigen Leichtbaumaterialien in der Konstruktion von z. B. Automobilen stellen sowohl die mit über 90 Prozent verbreiteten Glasfaser verstärkten Kunststoffe (GFK) und die deutlich leichteren und noch einmal erheblich stabileren Carbonfaser verstärkten Kunststoffe (CFK) dar. Der sehr hohe Energieaufwand für die Fertigung der Carbonfaser beeinflusst allerdings erheblich die Wirtschaftlichkeit dieses teuren Materials und kollidiert in vielen Einsatzbereichen mit Zielen wie Nachhaltigkeit, Umweltschonung und Elektromobilität.
Es fehlt an Alternativen zu den am häufigsten eingesetzten Fasern (Glasfaser, Carbonfaser und Aramidfaser), die zumindest vergleichbare mechanische Eigenschaften haben und sich wie herkömmliche Faserverbundwerkstoffe verarbeiten lassen.
Bambus ist ein bereits seit Jahrhunderten verwendetes Baumaterial auf dem asiatischen und afrikanischen Kontinent und wird aufgrund seines enorm schnellen Wachstums als nachwachsender Rohstoff in vielen Produkten verwendet. Seine hohe Steifigkeit und Stabilität entlang der Faserrichtung haben es zur Verwendung im Gerüst-, Floß- und Schiffsbau prädestiniert. In der westlichen Welt hat Bambus außerhalb von Küchen- und Dekoartikeln und Gartenmöbelprodukten jedoch kaum einen Verwendungszweck. Bambus wird so gut wie gar nicht in Kunstharzpolymeren als Faserverstärkung eingesetzt und nur in geringem Umfang in Form von Faserbündeln, zerhackten Schnitzeln, Halbrundstücken oder stark gepressten Formen.
Die traditionelle Verarbeitung des Bambus sieht die Verklebung nicht vor. Auf Seiten der westlichen Forschung wurde nahezu keine Mühe in die Untersuchung von Klebeverbindungen gesteckt, obwohl aus wirtschaftlicher und konstruktiver Sicht eine Verklebung von Bambus sehr sinnvoll ist. Mit Leim ist man vielmehr in der Lage stoffschlüssige Verbindungen herzustellen, die ein Zerfasern der Struktur verhindern und gleichzeitig neue Anwendungsgebiete ermöglichen. Arce-Villalobos (Fundamentals in the Design of Bamboo Strukturen, TU Eindhoven, 1993) verwendete bei seinen Untersuchungen folgende Leimsorten: Resorcinleim, Harnstoffformaldehydleim und Phenolharz.
Für die Konzeption von Faserverbundwerkstoffen stehen heutzutage sehr viele verschiedene Harze und Klebstoffe zur Verfügung. Sie unterscheiden sich durch die Wärmeverformbarkeit und Aushärtung des Materials. Zu den klassischen Harzsystem zählen Polyester-, Polyurethan- und Epoxyd-, Resorcin-, Acryl- und Polyamidharze und viele weitere Hochleistungsthermoplaste. Für die Verarbeitung von Bambus in Faserverbundwerkstoffen steht also eine Vielzahl geeigneter chemischer Verbindungen zur Verfügung.
Rohrpflanzen wie etwa das Pfahlrohr Arundo donax (engl. Giant reed) besitzen erstaunliche biomechanische Eigenschaften bei hoher Torsions- und Biegefestigkeit und ein Young'sches Elastizitätsmodul in der Größenordnung von 10 Gpa (H. C. Spatz et al., Biomechanics of the giant reed Arundo donax, Philosophical transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 1997). Es eignet sich damit hervorragend zur Verwendung von Abschnitten dieser stabilen Rohrstruktur in einem Kernbauteil eines Verbundwerkstoffes. Denkbar wären auch andere Rohrpflanzen ähnlicher Bauart wie Bambus oder Arundo donax, deren mechanische Eigenschaften in ähnlicher Größenordnung liegen.
Die Flachsfaser gehört mit Hanf zu den stärksten Naturfasern, die eine hohe Steifigkeit (E-Modul von 60–80 GPa) besitzen. Flachs erfährt daher als technisches Gewebe eine Renaissance, da es in der Verarbeitung der Glasfaser in nichts nachsteht. Ebenfalls ist seine hohe Zugfestigkeit in vielen Bereichen interessant. Es kann daher auch als Faserstränge genauso wie die Bambusfaser dienen. Mithilfe eines inneren Kerns aus Kunstfasern oder eines außen liegenden Gewebes sind sehr hohe mechanische Charakteristika denkbar.
Objekte der Erfindung
Die Erfindung besteht aus einer neuartigen Anordnung der zunächst durch Spaltung des Bambusrohres oder anderer Rohrpflanzen gewonnenen biegsamen Rindenabschnitte, die zu einem Bündel zusammengefasst durch eine Gewebestruktur eingefasst werden.
Die ummantelten Faserbündel sind weiter zu einem Verbund angeordnet, wobei jedoch einzelne Faserbündel durch die Gewebesepten voneinander getrennt im Verbund vorliegen. Dies ermöglicht ein Hybridmaterial aus zwei unterschiedlichen Naturfasern oder der Bambus- oder Rohrpflanzenfaser mit einer herkömmlichen Kunstfaser. Das entstehende Material ist damit hochflexibel an zukünftige Belastungen anpassbar und gut durch die außen liegende Gewebeeinlage weiter verarbeitbar.
Alternativ kann ein Kern aus einer Natur- oder Kunstfaser auch zwischen den Bambusfasern eingebettet werden. Dies ermöglicht eine optisch interessante Faseranordnung auf der Oberfläche und zugleich auch einen guten Schutz gegen Verwitterung (Korrosion).
Die zwischen den Faserbündeln aus natürlichen Rohrpflanzen wie Bambus, Arundo donax oder Flachs gelegene Klebekomponente kann unterschiedliche Konsistenzen und Eigenschaften besitzen und erlaubt eine Anpassung in puncto Gewicht, Stabilität, Sprödigkeit und Biegsamkeit. Die Klebekomponente kann dafür aus verschiedenen Kunstharzen, natürlich gewonnenen Harzen oder Leimen bestehen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Um die längs gerichtete stabile Faseranordnung des Bambusrohres oder anderer Rohrpflanzen wie Arundo donax zu erhalten, können die Bambusrohre aufgrund ihrer Eigenschaft, leicht zu zersplittern, mit scharfen Trennmessern bis zu sehr dünnen Spreizen gespalten werden. Mit dem Aufreißen des Rohrmaterials in Längsrichtung soll erreicht werden, dass die inneren Spannungen des Materials aufgelöst werden. Der mikroskopische Aufbau beider Rohrpflanzen besitzt eine hohe Analogie zum menschlichen Knochen, der ähnliche Zug-, Druck- und Torsionskräfte auffangen und aushalten muss, ohne durch Ermüdung zu bersten. Anstatt des Kollagens im Knochen besitzen Bambus, Arundo donax und Flachs eine vernetze Cellulose-Struktur. Entlang einer radialen Zunahme der Faserdichten hin zum Außenrand erhöhen sich beim Knochen wie beim Bambus und anderen Rohrpflanzen die Festigkeit und Stabilität in der Rinde. Die stärksten und haltbarsten Faserstrukturen befinden sich damit knapp unter der ölig harzigen Außenhaut des Bambus.
Im Gegensatz zu allen anderen pflanzlichen Fasern zeichnet gerade die Rohrpflanzen diese ganz raffinierte Anordnung der Cellulosestrukturen aus, die bei minimalem Gewicht ein Maximum an Stabilität ermöglichen.
In WO214137294 wird bereits die Verwendung von Bambusverbundmaterialien in der Stabilisierung von Beton bzw. als Ersatz für den Armierungsstahl aufgrund der sehr hohen Zugbelastbarkeit der Bambusfaser diskutiert. Das Verbundmaterial zeichnet sich durch ein thermisches Verfahren unter Verwendung der klassischen Kunstharze wie Polyurethane, Epoxid- und Polyesterharze aus. Jedoch sehen die Autoren keine quer zur Faserrichtung der Bambusfaser laufende Verriegelung bzw. Torsionsversteifung vor.
US 5814170 beschreibt die Verwertung von Kurzfasermaterial gewonnen aus Holzabfällen und Bambus für die Herstellung von mehrlagigen Verbundwerkstoffen. Es wird allerdings nicht beschrieben, daraus hochtragende Strukturen zu gewinnen, in denen die Naturfaserbündel durch eine außen liegende Gewebestruktur zusammengehalten und weiter zu einem größeren Verbund zusammengesetzt werden.
In kleineren Segmenten werden die durch Spaltung (Reißen) gewonnenen Längsfasern gebündelt und kurze Abschnitte überlappt, die durch ein äußeres Gewebe ebenfalls aus hochstabilen Naturfasern wie Jute, Sisal, Hanf, Arundo donax, Artischocke, Kokosnuss oder dem einheimischen Flachs bestehen. Dadurch wird ein Ausscheren der Fasern bei Biegebelastungen und Druckbelastungen verhindert und die Faserbündel werden effektiv durch die in den Geweben biaxial verlaufenden Fasern querverstärkt. Durch die vorige Spaltung mussten die einst diese Aufgabe erfüllenden Knoten (Nodien) des Bambusrohres zerstört werden, die nun von den quer zur Faser verlaufenden Gewebefasern funktionell ersetzt werden.
US 6391435 beschreibt ein Herstellungsverfahren zur Gewinnung der Bambusfaser durch Walzung der Bambusrohre und das damit verbundene Zermahlen der Faser in kleinere Bestandteile. Anschließend können diese feinen Fasern mit Klebekomponente in beliebige Formen gepresst werden. Das Patent sieht allerdings nicht vor, die Bambusfaser in größeren Spalten zu belassen und sie mit einer außen liegenden Gewebeschicht zu bündeln, die anschließend weiter in größeren Verbünden laminiert werden kann.
US 6576331 beschreibt die Anwendung der Bambusfaser in tragenden Strukturen wie Balken, Telefonpfosten oder Säulen. Die Bambusabschnitte werden durch ein Polymer wie Polyester, Epoxy- oder Polyolefine zusammengehalten und in einem Extrusionsprozess verarbeitet.
US 20080023868 beschreibt einen Träger aus Bambus und das Herstellungsverfahren. Die dabei zunächst hergestellten flachen Bambusstreifen werden getrocknet und mit Kleber beschichtet und anschließend durch hohen Druck in mehreren Schichten aufeinander gepresst. Die einzelnen Internodien und die sehr glatte Außenhaut des Bambusrohres werden dabei entfernt und der Herstellungsprozess sieht wie bei der Herstellung der OSB Platten eine Zerkleinerung in Schnipsel vor.
Die Erfindung CN000104559099A umfasst ein Flachs Verbundmaterial, dass als klebende Matrix den Biokunststoff Polylactidsäure (PLA) verwendet mit einem Flachsfaseranteil von 20 Prozent. Die kurzen, gehäckselten Flachsfasern werden in einem Hot Extrusionsprozess mit dem PLA geflutet. Es werden allerdings keine anderen Gewebeverwendet und die Flachsfaser erfüllt nicht den Zweck einer tragenden längsgerichteten Faser.
CN000102558670A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Flachfaser verstärkten Verbundmaterialien mit Polypropylene (PP). Die Flachsfaser wird ebenfalls wie in CN000104559099A extrudiert mit 140 Grad Celsius durch eine Form gepresst um das Material zu erhalten. Zusätzliche Fasern werden in diesem Fall nicht verwendet.
Für viele Zwecke reichen auch die Materialeigenschaften der reinen Flachsfaser nicht aus. Es ist daher sinnvoll, auch die Flachsfaser durch ein Gewebe oder einen Kern zu unterstützen.
Als klebende Matrix wird eine Kombination aus flüssigem Acrylatharz, Hauptkomponente MMA (Methylmethacrylat) und/oder allein einem Polyurethanharz, einem mineralischen brandsicheren Füllmaterial (Aluminiumhydroxid) und einem Polymerisationsstarter gewählt. Für die bessere Vernetzung des Acrylharzes mit dem mineralischen Füllstoff werden Haftvermittler wie etwa Silane verwendet. Acrylharze ergeben ein Polymethylmethacrylat (PMMA), das sehr hart, wetterbeständig, UV-Licht-beständig ist und gleichzeitig eine sehr geringe Neigung aufweist, spröde zu werden. Für Kehlnähte wird PMMA in der Automobilindustrie als Kleber angewendet.
Polyurethanharze eignen sich aufgrund ihrer Vielfältigkeit hervorragend für die schnelle Fertigung von sehr elastischen bis sehr festen und nicht mehr wärmeverformbaren Bauteilen (duroplastische Werkstoffe). Polyurethane werden bereits für die Verarbeitung von Holzwerkstoffen und für die Kombination von Holz mit anderen metallischen oder keramischen und glasartigen Werkstoffen verwendet. Je nach verwendetem Ummantelungsgewebe können hier auch Polyurethanharze für die Verhaftung der Bambusfaserbündel mit der außen laufenden Kunst-, Glas- oder Carbonfaser verwendet werden. Auch für ein Gewebe aus Naturfasern wie Jute oder Flachs eignen sich Polyurethanharze aufgrund ihrer sehr niedrigen Viskosität.
Für sowohl mechanisch, ökonomisch wie eben auch ökologisch zukunftsweisende Materialien sollen die in der Matrix verwendeten Klebeharze durch „Nicht-Erdölprodukte” ersetzt werden wie z. B. biobasierte Polyurethane, Polylactidsäuren (PLA), biobasierte Hot Melts aus Ethylenvinylacetat oder ähnlichem.
Im Brandschutz werden verschiedene mineralische Komponenten benutzt u. a. Titandioxid, Aluminiumhydroxid, Borax, Kaolin, Magnesiumoxid etc. Für einen passiven Feuerschutz der Rohrpflanzen nach der Zerkleinerung können die erhaltenen Abschnitte in einem Imprägnierverfahren bei bis zu 50 bar Überdruck mit einer brandschützenden Schicht aus z. B. Kaliwasserglas und zugesetzten Oxide versehen oder chemisch in entsprechenden Lösungen gekocht werden.
Die Längsfasern sind durch die Spaltung aus der Rinde des Bambus bereits genügend aufgeraut und nehmen niedrig visköse Reaktionsharze sehr gut auf. Der Anteil der öligen Außenhaut des Bambusrohres ist im Gemisch so klein, dass seine Eigenschaft, nicht gut mit dem Harz zu verhaften, in Kaufgenommen werden kann.
Die Polymerisation z. B. des Copolymers aus Acrylat, Polysiloxan und Silan-Harzen kann in zwei Stufen erfolgen. Die somit erst teilausgehärteten Kernbauteile sind noch nachträglich verformbar und erlauben variable Strukturgebungen. In einem zweiten durch UV-Licht initiierten Härtungsprozess erhält das Kernbauteil seine Endfestigkeit und ist voll ausgehärtet.
Die Zugabe eines z. B. auf Luftfeuchtigkeit (wie bei den Silanen) oder auf UV-Licht reagierenden Polymerisationsstarters leitet den Polymerisationsvorgang des Acrylatharzes bzw. Polysiloxans ein.
Als Haftvermittler zwischen der Bambusfaser und der Matrix können verschiedene Substanzen zugesetzt werden wie etwa Maleinsäureanhydrid, Chloroprene, Methacrylsäure oder Derivate der Methacrylsäure.
In Europa existieren bis dato keine Vorschriften und Regularien bzw. Standards für die Verwendung von Bambus im Baubereich. Weil Bambus kein zertifiziertes Baumaterial ist, müssen bei der Verwendung jeweils Spezialprüfungen und Einzelabnahmen stattfinden, die die Verwendung nicht nur erheblich erschweren sondern häufig auch sehr teuer und zeitintensiv sind. Für die Verwendung der enorm stabilen Bambusfaser in konstruktiven Anwendungen muss eine eingeschränkte Normierbarkeit des entstehenden Produkts gewährleistet sein. Durch Kombination mit einem außen liegenden Gewebe kann dies gelingen.
Bambus besitzt in der Rinde (Außenhaut) einen hohen Anteil an Kieselsäure (Silikaten), die es schwer entflammbar machen. Das Bambusrohr kann nach den Vorgaben der DIN 4102 als brennbar und moderat entflammbar konform mit der Brandschutzklasse B2 eingeordnet werden.
Für tragende Strukturen ist ein Brandschutzanstrich vorgesehen wie er auch für Stahlträger mit F30, F60 oder F90 vorgeschrieben ist und überall dort zum Einsatz kommt, wo der natürliche Brandschutz des Materials nicht ausreicht die Baunormen zu erfüllen. Mit einem Brandschutzanstrich kann sichergestellt werden, dass das durch Naturfasern gebildete Material auch mit den modernen Baunormen konform gestaltet werden kann.
Die am häufigsten verwendeten Bambusarten für die Verwendung in Verbundwerkstoffen stellen Guadua, Tonkin und Moso dar. Sie besitzen alle sehr gute mechanische Eigenschaften bei einer geringen Streubreite ihrer Eigenschaften. Das am häufigsten zitierte Young'sche Elastizitätsmodul beläuft sich auf 21 Gpa (Gernot Minke, Building with Bamboo, Design and Technology of a Sustainable Architecture, Birkhäuser, 2016, Seiten 21–26). Seine Zugfestigkeit liegt bei 70 Mpa und damit in der Größenordnung von Stahl mit 200 Mpa. Stahlbeton verwendet die Stahlarmierung vor allem als Zug aufnehmende Struktur. Es wurde bereits mehrfach über die Verwendung von Bambus zur Betonverstärkung nachgedacht (Hebel, ETH Zürich 2014).
Theoretisch können mit der Hill Methode die E-Module des Verbundwerkstoffes vorhergesagt werden. Es berechnet sich für die unidirektional eingesetzte Faser aus dem Produkt von Volumenanteil der Faser und dem E-Modul der Faser und dem Produkt des Matrixvolumanteils mit dem E-Modul der Matrix. E = v_fE_f + v_mE_m
Für eine Orientierung quer zur Faserrichtung berechnet sich das Biegeelastizitätsmodul E_q wie folgt:
Die Bambusfaser besitzt ein E-Modul von 21 GPa, die Matrix je nach verwendeter Kunstharzmatrix von um die 4 GPa. Je nach Faseranteil liegt der Bambusverbundwerkstoff allein mit Bambusfaser bei etwa 15 GPa.

Die außen liegende Gewebeummantelung erhöht das E-Modul des Gesamtwerkstoffes. Für das Gewebe wird ein Material mit höherem E-Modul als die Bambus- oder Rohrpflanzenfaser ausgesucht. Für Naturfasern gelten etwa folgende Werte: Faservergleich von Natur- mit Kunstfasern:

	Dichte (g/ccm)	E-Modul (GPa)	Zugfestigkeit (MPa)
Bambus	0.8	20	350–500
Jute	1.46	20–30	300–700
Flachs	1.4	65	900
E-Glas	2.5	70	3000
Carbon	1.8	250–700	4000
Hochmodul PE	0.9	90	3500

(Werte zusammengestellt; basierend auf technischen Daten aus wikipedia.org)

Die geringsten Faserdichten liegen bei HPPE (Hochmodul Polyethylen) und Bambus. Um das für manche Zwecke zu geringe E-Modul und die Zugfestigkeit des Bambus zu erhöhen, bietet sich eine Kombination der Bambusfaserbündel mit einem Flachsgewebe oder einer Kunstfaser an.
HPPE kann dabei womöglich hervorragend zwischen die Bambusfaser gelegt werden oder als außen liegendes Gewebe agieren.
Die E-Glas- und Carbonfaser sind die am weitesten erprobten technischen Fasern in der Verwendung in Faserverbundwerkstoffen. Carbonfasern weisen enorme mechanische Eigenschaften auf, die es aus rein technischer Sicht für viele leichte und gleichzeitig tragende Strukturen prädestiniert. Nachteile sind jedoch ihre sehr hohe Energiebilanz – Carbonfasern sind dadurch ein sehr teures Rohmaterial – und ein äußerst schlechter CO2-Footprint. Die durch die Leichtigkeit der CFK Bauteile erzielten CO2 Einsparungen im Laufe des Bauteillebens amortisieren häufig nicht seine Herstellung vollständig. Hochmodul Polyethylenfasern sind dahin gehend sehr viel umweltfreundlicher bei einem E-Modul und Zugfertigkeiten gleichen Rangs.
Beschreibung der Zeichnungen
: Außen gelegenes Gewebe (1) ummantelt Faserstränge (2) und Matrix (3). Zwischen den eingefassten Faserbündeln bildet das Gewebe (1) Seiten (4) aus. Quadratische Anordnung der Faserbündel.
: Anordnung der Dreiecksstränge zu einem Sechseck, dazwischen bilden sich Gewebeduplikaturen aus.
: Faserstränge (5) umgeben einen Kern aus einem Geflecht oder einzeln liegenden, andersartigen Natur- oder Kunstfasern (6). Zusätzlich kann auch ein außen liegendes Gewebe (7) die Faserstränge (5) zusammenhalten. Die Abbildung ergänzt die anderen Zeichnungen durch einen innen liegenden Gewebekern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 214137294 [0017]
US 5814170 [0018]
US 6391435 [0020]
US 6576331 [0021]
US 20080023868 [0022]
CN 000104559099 A [0023, 0024]
CN 000102558670 A [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fundamentals in the Design of Bamboo Strukturen, TU Eindhoven, 1993 [0007]
H. C. Spatz et al., Biomechanics of the giant reed Arundo donax, Philosophical transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 1997 [0009]
DIN 4102 [0035]
Gernot Minke, Building with Bamboo, Design and Technology of a Sustainable Architecture, Birkhäuser, 2016, Seiten 21–26 [0037]
Hebel, ETH Zürich 2014 [0037]

Claims

Hybridfaserverbundwerkstoff, hergestellt aus Naturfasern insbesondere aus Arundo donax, Bambus oder Flachs, mit den Merkmalen einer die Faserbündel und die Matrix umgebenden Ummantelung oder eines innen liegenden Kerns aus andersartigen Natur-, Carbon-, Glas- oder anderen Kunstfasern und die Anordnung der Faserbündel zu größeren Verbünden.
Verbundwerkstoff aus Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Faserorientierung sowohl parallel, als auch diagonal oder gekreuzt sein kann um das Bauteil den zu erwartenden Belastungen anzupassen.
Die Matrix des in Anspruch 1 beschriebenen Hybridfaserverbundwerkstoffes kann Zuschlagsstoffe wie mineralische Füllstoffe (Aluminiumhydroxid, Calciumsulfat, Calciumcarbonat, Kaolin, Silikate) oder Haftvermittler wie Silane, Methacrylsäure oder Maleinanhydrid enthalten.
Die Naturfasern, insbesondere die Bambus- und Flachsfaser, kann chemisch z. B. durch Acetylierung, Anlaugung oder physikalische Verfahren wie Plasmabehandlung verändert werden, um eine bessere Verhaftung mit der Matrix zu erzielen.
Die Matrix kann sowohl aus der Gruppe der thermoplastischen Kunstharze wie etwa PMMA, PE oder Polyamiden oder auch aus klassischen duroplastischen (nicht durch Wärme verformbar) Kunstharzen wie Polyurethan-, Epoxyd- oder Polyesterharzen bestehen.
Die Matrix soll durch umweltfreundlichere, aus erneuerbaren Ressourcen gewonnene Biokunstoffe, wie Polylactidsäure (PLA), Ethylenvinylacetat oder Bio-Polyurethan ersetzbar sein.
Die sich durch die Anordnung der umhüllten Faserbündel ergebenden Gewebesepten können ebenfalls verklebt werden oder durch eine Zwischenlage von dämpfenden Einlagen (z. B. Schaummatten aus Polyurethan) verbunden sein.
Die geometrische Anordnung der umhüllten Faserbündel kann quadratisch sein oder die Form eines durch Dreiecksstränge gebildeten Sechsecks, sowie jede beliebige, zusammengesetzte Geometrie annehmen.
Die Ummantelung der Faserbündel und der Matrix kann nicht nur aus einem Material bestehen, sondern auch aus Kombinationen verschiedener Gewebeschichten (Hybridmaterial).
Durch chemische Imprägnierung oder Beschichtung z. B. mittels Wasserglas-Kaliwasserglas, Natronwasserglas – und/oder in versetzten Oxiddispersionen, insbesondere des Aluminiumhydroxides (Al2O3) können die Entflammbarkeit und die Wasserabsorption der Fasern pflanzlicher Herkunft verringert werden. Weitere verwendbare Oxide wären Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und Siliciumcarbid, Blähgraphit oder Hydroxylapatit.