DE102020127492A1

DE102020127492A1 - composite

Info

Publication number: DE102020127492A1
Application number: DE102020127492.0A
Authority: DE
Inventors: Britta Zimmerer; Kurt Uihlein; Daniel Lang; Sören Ario; René Schaldach; Carsten Asshoff
Original assignee: Cordenka Innovations GmbH
Current assignee: Cordenka Innovations GmbH
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21
Also published as: CN114381064A; EP4229126A1; WO2022084059A1

Abstract

Verbundwerkstoff enthaltend Fasern und mindestens ein Matrixpolymer dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern enthält, wobei die cellulosischen Kurzfasern eine Faserlänge von kleiner als 500 µm aufweisen und die cellulosischen Langfasern eine Faserlänge von über 1 mm aufweisen.Composite material containing fibers and at least one matrix polymer, characterized in that the composite material contains a mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers, the cellulosic short fibers having a fiber length of less than 500 µm and the cellulosic long fibers having a fiber length of more than 1 mm.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, der neben Fasern mindestens ein Matrixpolymer enthält.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe haben in den letzten Jahrzehnten breite Verwendung als Werkstoffe gefunden. Als prominentes Beispiel kann in diesem Zusammenhang der Flugzeugbau gelten. Rümpfe und Tragflächen moderner Großflugzeuge bestehen inzwischen zu einem großen Teil aus Verbundwerkstoffen. Aber auch Massengüter wie Tennisschläger, Skier oder Photostative werden aus Verbundwerkstoffen gefertigt, weil sie einerseits eine niedrige Dichte aufweisen, andererseits aber mechanisch äußerst strapazierfähig sind und insbesondere eine hohe Steifigkeit, Schlagzähigkeit und Belastbarkeit auf Zug wie auf Druck aufweisen.
Ein wesentlicher Schwachpunkt von Verbundwerkstoffen ist nach wie vor ihre schlechte Umweltverträglichkeit. Dies liegt zum einen im Herstellungsprozess begründet, der in der Regel sehr energieintensiv ist und gleichzeitig oft auch die Verwendung stark umwelt- und gesundheitsgefährdender Stoffe erfordert. Zum anderen ist das Recycling ausgedienter Gegenstände aus Verbundwerkstoffen in der Regel nicht auf wirtschaftliche Art und Weise möglich, so dass für Abfälle aus Verbundwerkstoffen oft lediglich eine thermische Verwertung in Frage kommt, was in der Regel zu einer schlechten CO₂-Bilanz entsprechender Produkte führt.The invention relates to a composite material which, in addition to fibers, contains at least one matrix polymer.
Fiber-reinforced composites have found wide use as construction materials in the past few decades. Aircraft construction is a prominent example in this context. The fuselages and wings of modern large aircraft are now largely made of composite materials. However, bulk goods such as tennis rackets, skis or photo tripods are also made from composite materials because on the one hand they have a low density, but on the other hand they are mechanically extremely hard-wearing and, in particular, have high rigidity, impact strength and resilience in both tension and pressure.
A major weakness of composite materials is still their poor environmental compatibility. On the one hand, this is due to the manufacturing process, which is usually very energy-intensive and at the same time often requires the use of substances that are extremely hazardous to the environment and health. On the other hand, the recycling of discarded objects made of composite materials is usually not possible in an economical manner, so that waste made of composite materials can often only be used thermally, which usually leads to a poor CO ₂ balance for the corresponding products.

Vor diesem Hintergrund besteht die Notwendigkeit, Verbundwerkstoffe bereitzustellen, die zwar die vorteilhaften Eigenschaften herkömmlicher Verbundwerkstoffe - starke mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Dichte - aufweisen, deren Herstellung umweltfreundlich möglich ist und die gleichzeitig die Möglichkeit eines wirtschaftlichen Recyclings bieten.Against this background, there is a need to provide composite materials which have the advantageous properties of conventional composite materials - high mechanical strength combined with low density - but which can be produced in an environmentally friendly manner and at the same time offer the possibility of economical recycling.

Beim Recycling werden zwei grundsätzliche Wege unterschieden: Zum einen das stoffliche Recycling, bei dem ein ausgedienter Gegenstand in eine neue Form gebracht und weiterverwendet wird. Dies wird insbesondere beim Recycling von Glas und Metallen häufig und sehr erfolgreich praktiziert. Eine andere, aufwändigere Möglichkeit des Recyclings ist, den zu recycelnden Gegenstand als Rohstoff zu betrachten und aus ihm neue Stoffe zu gewinnen, die dann zu gänzlich anderen Produkten verarbeitet werden können. Dies wird ansatzweise im Bereich Kunststoffrecycling praktiziert, wo Kunststoffabfälle in ihre Monomere zerlegt und die Monomere dann industriellen Prozessen zugeführt werden.
In der Regel wird es sich bei Verbundwerkstoffen um mehrkomponentige Systeme handeln, die mindestens ein Matrixmaterial und mindestens ein chemisch davon verschiedenes Fasermaterial enthalten. Ein stoffliches Recycling ausgedienter Gegenstände aus Verbundwerkstoffen ist daher nur sehr eingeschränkt möglich, da entsprechende Gegenstände nur spanend in eine neue Form gebracht werden können.
Eine Trennung in die Komponenten Matrixpolymer und Fasermaterial ist in der Regel ausgesprochen aufwändig, da bei der Herstellung entsprechender Materialien in der Regel auf eine enge, nur schlecht zu lösende Verbindung von Matrixpolymer und Fasermaterial Wert gelegt wird.
Cellulosische Fasern verbessern die CO₂-Bilanz von Verbundwerkstoffen, da es sich um Fasern natürlichen Ursprungs handelt, die keine fossilen Rohstoffe enthalten.
Es hat sich nun überraschend gezeigt, dass die Defizite des Standes der Technik behoben werden können durch einen Verbundwerkstoff enthaltend Fasern und mindestens ein Matrixpolymer dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern enthält, wobei die cellulosischen Kurzfasern eine Faserlänge von kleiner als 500 µm aufweisen und die cellulosischen Langfasern eine Faserlänge von über 1 mm aufweisen.There are two basic ways of recycling: On the one hand, material recycling, in which a worn-out object is given a new form and reused. This is practiced frequently and very successfully, particularly in the recycling of glass and metals. Another, more complex way of recycling is to regard the object to be recycled as a raw material and to gain new materials from it, which can then be processed into completely different products. This is practiced to some extent in the field of plastics recycling, where plastic waste is broken down into its monomers and the monomers are then fed into industrial processes.
As a rule, composite materials are multi-component systems that contain at least one matrix material and at least one fiber material that is chemically different. Material recycling of disused objects made of composite materials is therefore only possible to a very limited extent, since corresponding objects can only be brought into a new shape by machining.
A separation into the components matrix polymer and fiber material is usually extremely complex, since in the production of corresponding materials value is usually attached to a close bond between matrix polymer and fiber material that is difficult to break.
Cellulosic fibers improve the _carbon footprint of composite materials because they are fibers of natural origin that do not contain any fossil raw materials.
Surprisingly, it has now been shown that the deficits of the prior art can be remedied by a composite material containing fibers and at least one matrix polymer, characterized in that the composite material contains a mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers, the cellulosic short fibers having a fiber length of less than 500 µm and the cellulosic long fibers have a fiber length of more than 1 mm.

In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem mindestens einen Matrixpolymer um ein thermoplastisches Polymer wie beispielsweise ein Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen oder ein Polyamid wie Polyamid 6,6, Polyamid-6, Polyamid 4,10, Polyamid 6,10 oder Polyamid 10,10. Auch Polyester wie Polyethylenterephthalat (PET), Polytrimethylenterephtalalat (PTT), Polybutylenterephthalat (PBT), Polybutylenadipatterephthalat (PBAT), Polylactid (PLA), Polyhydroxyalkanoate wie Polyhydroxybuttersäure und Polycaprolacton sind als thermoplastische Matrixpolymere denkbar. Thermoplastische Matrixpolymere bieten den Vorteil, dass sich ausgediente Gegenstände aus dem erfindungsgemäßen Faserverbundmaterial aufschmelzen und durch Spritzen oder Gießen in eine neue Form bringen lassen.
In einer Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ein duroplastisches Polymer. Denkbar sind in diesem Zusammenhang alle Arten von härtbaren Harzen, insbesondere thermisch härtbare Harze wie beispielsweise Epoxid-, Cyanatester- oder Benzoxazinharze.
In einer Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ein Elastomer. Denkbar sind in diesem Zusammenhang Elastomere auf Basis von Nitrilkautschuk, Isobuten-Isopren-Kautschuk, Chloroprenkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dienkautschuk, siliconbasierte Kautschuke oder Naturkautschuk.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Matrixpolymeren des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs um biologisch abbaubare Polymere. Unter „biologisch abbaubar“ im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden dabei solche Polymere verstanden, die sich nach der Norm DIN EN 13432 kompostieren lassen. Diese Norm beschreibt dabei eine industrielle Methode der Kompostierung, die unter Bedingungen erfolgt, die nicht normalen Umweltbedingungen entsprechend. Dies ermöglicht es, den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff so zu gestalten, dass er unter Umweltbedingungen nicht oder nur sehr langsam angegriffen wird, dass ein biologischer Abbau aber nach dem Ende der Benutzung erfolgen kann. Mögliche biologisch abbaubare Polymere sind beispielsweise Polybutylenadipatterephthalat (PBAT), Polylactid (PLA), Polyhydroxyalkanoate wie Polyhydroxybuttersäure und Polycaprolacton.
In einer Ausführungsform stammen die im erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff enthaltenen Matrixpolymere vollständig oder teilweise aus biologischen Quellen. Die Verwendung biologischer Quellen reduziert den Verbrauch fossiler Rohstoffe wie Kohle, Erdöl oder Erdgas und verbessert so die CO₂-Bilanz des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs. Die Herstellung von Polymeren auf Basis biogener Rohstoffe hat in den vergangenen Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Insbesondere im Bereich der Polyamide und Polyester existiert inzwischen eine Anzahl ganz oder teilweise biobasierter Produkte wie beispielsweise Polyethylenterephthalat basierend auf biogenem Ethylenglycol oder Polyamide wie Polyamid 4.10, Polyamid 6.10 und Polyamid 10.10, die auf Sebacinsäure basieren, welche aus Ricinusöl gewonnen werden kann. Besonders hervorzugeheben sind biogene Polymere, die auf fermentativem Weg gewonnen werden wie beispielsweise Polyhydroxybuttersäure. Die fermentative Herstellung bietet die Möglichkeit einer besonders energieeffizienten und umweltfreundlichen Prozessführung.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei den cellulosischen Langfasern des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs um Langfasern aus Cellulose, die nach Regeneratverfahren oder Direktlöseverfahren gewonnen wurden. Unter Regereneratverfahren werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung solche Verfahren verstanden, bei denen Cellulosemoleküle durch chemische Modifikation in eine lösliche Form gebracht werden. Diese lösliche Form wird durch Düsen in ein Koagulationsbad gepresst, in der durch einen geeigneten chemischen Prozess die Cellulosemoleküle zurückgebildet werden und aus dem Flüssigkeitsstrahl so eine Faser aus regenerierter Cellulose gesponnen wird. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt, zu nennen wäre exemplarisch das Xanthogenat- oder Viscoseverfahren.In one embodiment, the at least one matrix polymer is a thermoplastic polymer such as a polyolefin such as polypropylene or polyethylene or a polyamide such as polyamide 6,6, polyamide 6, polyamide 4,10, polyamide 6,10 or polyamide 10,10 . Polyesters such as polyethylene terephthalate (PET), polytrimethylene terephthalate (PTT), polybutylene terephthalate (PBT), polybutylene adipate terephthalate (PBAT), polylactide (PLA), polyhydroxyalkanoates such as polyhydroxybutyric acid and polycaprolactone are also conceivable as thermoplastic matrix polymers. Thermoplastic matrix polymers offer the advantage that discarded objects made from the fiber composite material according to the invention can be melted and given a new shape by injection molding or casting.
In one embodiment, the composite material according to the invention contains a thermosetting polymer. All types of curable resins are conceivable in this connection, in particular thermally curable resins such as, for example, epoxy, cyanate ester or benzoxazine resins.
In one embodiment, the composite material according to the invention contains an elastomer. In this context, elastomers based on nitrile rubber, isobutene-isoprene rubber, chloroprene rubber, styrene-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene rubber, silicone-based rubbers or natural rubber are conceivable.
In one embodiment, the matrix polymers of the composite material according to the invention are biodegradable polymers. In the context of the present application, “biodegradable” refers to such polymers stood, which can be composted according to the DIN EN 13432 standard. This standard describes an industrial method of composting that takes place under conditions that do not correspond to normal environmental conditions. This makes it possible to design the composite material according to the invention in such a way that it is not attacked or only very slowly attacked under environmental conditions, but that biological degradation can take place after the end of use. Possible biodegradable polymers are, for example, polybutylene adipate terephthalate (PBAT), polylactide (PLA), polyhydroxyalkanoates such as polyhydroxybutyric acid and polycaprolactone.
In one embodiment, the matrix polymers contained in the composite material according to the invention originate entirely or partially from biological sources. The use of biological sources reduces the consumption of fossil raw materials such as coal, petroleum or natural gas and thus improves the CO ₂ balance of the composite material according to the invention. The production of polymers based on biogenic raw materials has made great progress in recent decades. In the field of polyamides and polyesters in particular, there are now a number of completely or partially bio-based products such as polyethylene terephthalate based on biogenic ethylene glycol or polyamides such as polyamide 4.10, polyamide 6.10 and polyamide 10.10, which are based on sebacic acid, which can be obtained from castor oil. Of particular note are biogenic polymers that are obtained by fermentation, such as polyhydroxybutyric acid. The fermentative production offers the possibility of a particularly energy-efficient and environmentally friendly process control.
In one embodiment, the cellulosic long fibers of the composite material according to the invention are long fibers made from cellulose, which were obtained using regenerated processes or direct dissolving processes. In the context of the present application, regrind processes are understood to mean processes in which cellulose molecules are brought into a soluble form by chemical modification. This soluble form is pressed through nozzles into a coagulation bath, in which the cellulose molecules are reformed by a suitable chemical process and a fiber made of regenerated cellulose is spun from the liquid jet. Corresponding processes are known per se to the person skilled in the art, the xanthogenate or viscose process being mentioned as an example.

Unter Direktlöseverfahren werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung solche Verfahren verstanden, bei denen Cellulosemoleküle durch ein geeignetes Lösemittel in Lösung gebracht werden, ohne dass eine chemische Modifikation erfolgen muss. Die so erhaltene Lösung wird durch Düsen in ein Fällbad gepresst, in der aus der Lösung feste Cellulose zurückgebildet wird und aus dem Flüssigkeitsstrahl so eine Faser aus regenerierter Cellulose gesponnen wird. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt, zu nennen wären exemplarisch das sog. Lyocellverfahren, bei dem N-Methylmorpholin-N-oxid als Lösungsmittel verwendet wird oder das auf dem Tetraminkupferkomplex beruhende Cuproverfahren, sowie Verfahren, bei denen Cellulosemoleküle in ionischen Flüssigkeiten gelöst werden. Sowohl nach Regeneratverfahren als auch nach Direktlöseverfahren entstehen zunächst Cellulosefasern unendlicher Länge, die gegebenenfalls nach dem Reinigen und Trocknen, auf kürzere Längen geschnitten werden können. Für die vorliegende Erfindung haben sich Langfasern als besonders zweckmäßig erwiesen, deren Länge 1 mm übersteigt, deren Länge aber nicht größer ist als 20 mm. In einer Ausführungsform ist die Länge der Fasern nicht größer als 15 mm.
In einer Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff Kurzfasern, die nach Regeneratverfahren wie dem Viskoseverfahren oder nach Direktlöseverfahren wie dem Lyocell-, dem Cuproverfahren oder einem auf ionischen Flüssigkeiten basierenden Verfahren gewonnen wurden. Sowohl nach Regeneratverfahren als auch nach Direktlöseverfahren entstehen zunächst Cellulosefasern unendlicher Länge, die gegebenenfalls nach dem Reinigen und Trocknen, auf kürzere Längen geschnitten werden können. Für die vorliegende Erfindung haben sich Kurzfasern als besonders zweckmäßig erwiesen, deren Länge 500 µm nicht übersteigt. In einer Ausführungsform übersteigt die Länge der Kurzfasern nicht 400 µm. In einer Ausführungsform übersteigt die Länge der Kurzfasern nicht 300 µm.
In einer Ausführungsform kann es sich bei den Kurzfasern im erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff auch um Naturfasern wie Baumwollfasern, Hanffasern, Ramiefasern, Abacafasern, Sisalfasern, Flachsfasern, Bagassefasern, aus Holz gewonnene Cellulosefasern (sog. Holzzellstoff) oder Mischungen daraus handeln. Die Fasern werden bei Bedarf gereinigt, von eventuell vorhandenem Lignin befreit und auf die nötige Länge gekürzt. Für die vorliegende Erfindung haben sich Kurzfasern als besonders zweckmäßig erwiesen, deren Länge 500 µm nicht übersteigt. In einer Ausführungsform übersteigt die Länge der Kurzfasern nicht 400 µm. In einer Ausführungsform übersteigt die Länge der Kurzfasern nicht 300 µm.
In einer Ausführungsform enthält der Verbundwerkstoff zusätzlich noch Holzmehl. Ein derartiger Verbundwerkstoff weist besonders ausgewogene Eigenschaften auf.
In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff maximal 60 Massen %-Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff maximal 50 Massen% Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff maximal 40 Massen-% Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff maximal 30 Massen- % Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff maximal 20 Massen- % Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff mindestens 5 Massen-% Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff mindestens 10 Massen-% Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff mindestens 20 Massen-% Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff mindestens 30 Massen-% Holzmehl. In einer Ausführung enthält der Verbundwerkstoff mindestens 40 Massen-% Holzmehl.
Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff ist beispielsweise aus 10 Massen-% Cellulosekurzfasern, 10 Massen-% Celluloseregeneratfasern. 10 Massen-% Holzmehl, 3 Massen-% Haftvermittler und 67 Massen-% Polypropylene zusammengesetzt. Sein Biegemodul beträgt 2.7 GPa, sein Zugmodul 2.9 GPa, seine Zugfestigkeit 46 MPa, die Charpy-Schlagzähigkeit bei 23 °C 50 kJ/m², die Charpy-Schlagzähigkeit bei -20 °C 36 kJ/m². Der Schmelzflussindex beträgt 3.5 g/10 min bei 190 °C, 2,16 kg.
Das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasen und cellulosischen Langfasern ist so zusammengesetzt, dass der Massenanteil an cellulosischen Kurzfasern mindestens 50% beträgt. In einer Ausführungsform ist das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern so zusammengesetzt, dass der Massenanteil an cellulosischen Kurzfasern mindestens 60 % beträgt. In einer Ausführungsform ist das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern so zusammengesetzt, dass der Massenanteil an cellulosischen Kurzfasern mindestens 70 % beträgt. In einer Ausführungsform ist das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern so zusammengesetzt, dass der Massenanteil an cellulosischen Kurzfasern mindestens 80 % beträgt. In einer Ausführungsform ist das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern so zusammengesetzt, dass der Massenanteil an cellulosischen Kurzfasern mindestens 90 % beträgt.In the context of the present application, direct dissolving processes are understood to be processes in which cellulose molecules are dissolved by a suitable solvent without chemical modification having to take place. The solution obtained in this way is pressed through nozzles into a precipitation bath in which solid cellulose is reformed from the solution and a fiber made of regenerated cellulose is spun from the liquid jet. Corresponding processes are known per se to those skilled in the art, examples being the so-called Lyocell process, in which N-methylmorpholine-N-oxide is used as the solvent, or the cupro process based on the tetramine copper complex, and processes in which cellulose molecules are dissolved in ionic liquids . Both the regenerated process and the direct dissolving process initially produce cellulose fibers of infinite length, which can be cut to shorter lengths, if necessary after cleaning and drying. For the present invention, long fibers have proven to be particularly useful, the length of which exceeds 1 mm but whose length is not greater than 20 mm. In one embodiment, the length of the fibers is no greater than 15mm.
In one embodiment, the composite material according to the invention contains short fibers which have been obtained by regenerated processes such as the viscose process or by direct dissolving processes such as the lyocell or cupro process or a process based on ionic liquids. Both the regenerated process and the direct dissolving process initially produce cellulose fibers of infinite length, which can be cut to shorter lengths, if necessary after cleaning and drying. Short fibers whose length does not exceed 500 μm have proven particularly useful for the present invention. In one embodiment, the length of the short fibers does not exceed 400 µm. In one embodiment, the length of the short fibers does not exceed 300 µm.
In one embodiment, the short fibers in the composite material according to the invention can also be natural fibers such as cotton fibers, hemp fibers, ramie fibers, abaca fibers, sisal fibers, flax fibers, bagasse fibers, cellulosic fibers obtained from wood (so-called wood pulp) or mixtures thereof. If necessary, the fibers are cleaned, freed from any lignin that may be present and shortened to the required length. Short fibers whose length does not exceed 500 μm have proven particularly useful for the present invention. In one embodiment, the length of the short fibers does not exceed 400 µm. In one embodiment, the length of the short fibers does not exceed 300 µm.
In one embodiment, the composite material also contains wood flour. Such a composite material has particularly well-balanced properties.
In one embodiment, the composite material contains a maximum of 60% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains a maximum of 50% by mass of wood flour. In one embodiment, Ver composite material maximum 40% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains a maximum of 30% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains a maximum of 20% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains at least 5% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains at least 10% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains at least 20% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains at least 30% by mass of wood flour. In one embodiment, the composite material contains at least 40% by mass of wood flour.
A composite material according to the invention consists, for example, of 10% by mass of short cellulose fibers and 10% by mass of regenerated cellulose fibers. 10% by mass of wood flour, 3% by mass of adhesion promoter and 67% by mass of polypropylene. Its flexural modulus is 2.7 GPa, its tensile modulus is 2.9 GPa, its tensile strength is 46 MPa, the Charpy impact strength at 23 °C is 50 kJ/m ² , the Charpy impact strength at -20 °C is 36 kJ/m ² . The melt flow index is 3.5 g/10 min at 190° C., 2.16 kg.
The mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is composed in such a way that the mass fraction of cellulosic short fibers is at least 50%. In one embodiment, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is composed in such a way that the mass fraction of cellulosic short fibers is at least 60%. In one embodiment, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is composed in such a way that the mass fraction of cellulosic short fibers is at least 70%. In one embodiment, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is composed in such a way that the mass fraction of cellulosic short fibers is at least 80%. In one embodiment, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is composed in such a way that the mass fraction of cellulosic short fibers is at least 90%.

In Abhängigkeit vom verwendeten Matrixpolymer kann das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern einen Haftvermittler enthalten, der die Haftung zwischen den cellulosischen Fasern und dem Matrixpolymer verbessert und so auch in der Lage ist, die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs zu beeinflussen. Wird eine große Menge Haftvermittler verwendet, so kommt es zu einer starken Haftung zwischen Matrixpolymer und cellulosischen Fasern, was zu einem Verbundwerkstoff mit vergleichsweise hoher Festigkeit aber auch größerer Sprödigkeit führt. Wird dagegen eine kleinere Menge Haftvermittler eingesetzt, entsteht ein Verbundwerkstoff von geringerer Festigkeit aber größerer Duktilität und somit größerer Schlagzähigkeit. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Haftvermittler um mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Polypropylen handeln. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Haftvermittler um eine Mischung aus Resorcin, Formaldehyd und Latex, die dem Fachmann unter dem Namen „RFL-Dip“ bekannt ist, handeln. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Haftvermittler um ein und mehrere acrylatbasierte Polymere handeln.Depending on the matrix polymer used, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers can contain an adhesion promoter that improves adhesion between the cellulosic fibers and the matrix polymer and is thus also able to influence the mechanical properties of the composite material according to the invention. If a large amount of adhesion promoter is used, there is strong adhesion between the matrix polymer and cellulosic fibers, resulting in a composite material with comparatively high strength but also greater brittleness. If, on the other hand, a smaller amount of adhesion promoter is used, the result is a composite material with lower strength but greater ductility and therefore greater impact strength. In one embodiment, the adhesion promoter may be polypropylene grafted with maleic anhydride. In one embodiment, the adhesion promoter can be a mixture of resorcinol, formaldehyde and latex, which is known to those skilled in the art under the name "RFL-Dip". In one embodiment, the adhesion promoter can be one or more acrylate-based polymers.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist so zusammengesetzt, dass der Massenanteil des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern höchstens 80% beträgt. In einer Ausführungsform ist der Verbundwerkstoff so zusammengesetzt, dass der Massenanteil des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern höchstens 40% beträgt. In einer Ausführungsform ist der Verbundwerkstoff so zusammengesetzt, dass der Massenanteil des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern höchstens 30% beträgt. In einer Ausführungsform ist der Verbundwerkstoff so zusammengesetzt, dass der Massenanteil des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern höchstens 25% beträgt. In einer Ausführungsform ist der Verbundwerkstoff so zusammengesetzt, dass der Massenanteil des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern höchstens 20% beträgt. In einer Ausführungsform ist der Verbundwerkstoff so zusammengesetzt, dass der Massenanteil des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Kurzfasern höchstens 10% beträgt.The composite material according to the invention is composed in such a way that the mass fraction of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is at most 80%. In one embodiment, the composite material is composed in such a way that the mass fraction of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is at most 40%. In one embodiment, the composite material is composed in such a way that the mass fraction of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is at most 30%. In one embodiment, the composite material is composed in such a way that the mass fraction of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is at most 25%. In one embodiment, the composite material is composed in such a way that the mass fraction of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is at most 20%. In one embodiment, the composite material is composed in such a way that the mass fraction of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic short fibers is at most 10%.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs beinhaltend die Schritte Vorlegen eines Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern, Imprägnieren des Gemisches aus cellulosischen Stapelfasern und cellulosischen Filamenten mit mindestens einem Matrixpolymer oder mindestens einem Präpolymer und/oder Monomer für ein Matrixpolymer, Aushärten des Matrixpolymers durch Abkühlen, Verdampfen eines Lösungsmittels oder Ausreagieren des oder der Präpolymere und/oder Monomere wie beispielsweise durch Erwärmen oder Bestrahlen mit Licht.
Unter „Imprägnierung“ wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine möglichst vollständige Durchdringung des Gemisches aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern verstanden, bei der die Ausbildung von Luftblasen, die sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs auswirken würden, vermieden werden sollte.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das thermoplastische Matrixmaterial aufgeschmolzen, mit dem Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern vermischt, beide Komponenten gemeinsam extrudiert und zum Beispiel durch Spritzgießen in Form gebracht. Ein Gegenstand aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff entsteht dann in der Form durch Abkühlen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern mit einem oder mehreren Präpolymeren und/oder Monomeren für ein duroplastisches oder elastomeres Matrixpolymer vermengt. In einer Ausführungsform wird das Gemisch aus cellulosischen Kurzfasern und cellulosischen Langfasern auf ein Präpolymer für ein duroplastisches oder elastomeres Matrixpolymer aufgestreut.
Als Präpolymere für duroplastische Matrixharze kommen dabei zum Beispiel flüssige, thermisch härtbare Harze wie Epoxidharze, Cyanatesterharze oder Benzoxazinharze in Betracht. Als Präpolymere für elastomere Matrixharze eignen sich beispielsweise vulkanisierbare Kautschuke wie Nitrilkautschuk, Isobuten-Isopren-Kautschuk, Chloroprenkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Etylen-Propylen-Dienkautschuk, siliconbasierte Kautschuke oder Naturkautschuk. Gegebenenfalls können Härterkomponenten wie aliphatische oder aromatische Amine oder Vulkanisierhilfsmittel wie zum Beispiel Schwefel oder schwefelhaltige Verbindungen wie Tetraethylthiuramdisulfid aber auch Peroxide, Metalloxide oder Dibutylamin dem Präpolymer beigemischt werden.
Werden duroplastische oder elastomere Matrixpolymere verwendet, schließt sich an die Imprägnierung ein Aushärtungs- oder ein Vulkanisationsschritt an, bei dem Bedingungen erzeugt werden, die ein chemisches Aushärten des Matrixpolymers bzw. die Bildung einer Elastomerstruktur ermöglichen. Dabei kann es sich um einen oder mehrere Heizschritte handeln, denen das imprägnierte Fasermaterial ausgesetzt wird oder auch einen oder mehrere Bestrahlungen des imprägnierten Fasermaterials mit sichtbarem Licht und/oder ultravioletter Strahlung.The invention also relates to a method for producing a composite material including the steps of providing a mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers, impregnating the mixture of cellulosic staple fibers and cellulosic filaments with at least one matrix polymer or at least one prepolymer and/or monomer for a matrix polymer, curing the Matrix polymer by cooling, evaporating a solvent or reacting the prepolymer(s) and/or monomer(s) such as by heating or irradiation with light.
In the context of the present application, “impregnation” is understood to mean the most complete possible penetration of the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers, during which the formation of air bubbles, which would have a negative effect on the mechanical properties of the composite material, should be avoided.
In one embodiment of the method according to the invention, the thermoplastic matrix material is melted with the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers mixed, both components extruded together and shaped, for example, by injection molding. An object made from the composite material according to the invention is then formed in the mold by cooling.
In one embodiment of the method according to the invention, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is mixed with one or more prepolymers and/or monomers for a duroplastic or elastomeric matrix polymer. In one embodiment, the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers is scattered onto a prepolymer for a duroplastic or elastomeric matrix polymer.
Examples of suitable prepolymers for duroplastic matrix resins are liquid, thermally curable resins such as epoxy resins, cyanate ester resins or benzoxazine resins. Examples of suitable prepolymers for elastomeric matrix resins are vulcanizable rubbers such as nitrile rubber, isobutene-isoprene rubber, chloroprene rubber, styrene-butadiene rubber, ethylene-propylene-diene rubber, silicone-based rubbers or natural rubber. Optionally, hardener components such as aliphatic or aromatic amines or vulcanization aids such as sulfur or sulphur-containing compounds such as tetraethylthiuram disulfide, but also peroxides, metal oxides or dibutylamine can be added to the prepolymer.
If thermosetting or elastomeric matrix polymers are used, impregnation is followed by a curing or vulcanization step, in which conditions are created which allow chemical curing of the matrix polymer or the formation of an elastomeric structure. This can involve one or more heating steps to which the impregnated fiber material is exposed, or else one or more irradiations of the impregnated fiber material with visible light and/or ultraviolet radiation.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteil beinhaltend den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Bauteil um ein Halbzeug in Form einer Stange, eines Zylinders oder eines Blocks handeln. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Bauteil um ein Profilteil für den Innenausbau handeln. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Bauteil um einen Träger für den Innenausbau handeln.The invention also relates to a component containing the composite material according to the invention. In one embodiment, the component can be a semi-finished product in the form of a rod, a cylinder or a block. In one embodiment, the component can be a profile part for interior fittings. In one embodiment, the component can be a support for interior fittings.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Transportbehältnis beinhaltend den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Transportbehältnis um ein Gestell handeln. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Transportbehältnis um eine Kiste, wie beispielsweise eine zusammenklappbare Aufbewahrungs- oder Tragekiste, oder einen Container handeln.The invention also relates to a transport container containing the composite material according to the invention. In one embodiment, the transport container can be a frame. In one embodiment, the transport containment may be a box, such as a collapsible storage or carrying box, or a container.

Claims

Composite material containing fibers and at least one matrix polymer , characterized in that the composite material contains a mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers, the cellulosic short fibers having a fiber length of less than 500 µm and the cellulosic long fibers having a fiber length of more than 1 mm.

composite after claim 1 , wherein the at least one matrix polymer is a thermoplastic polymer, preferably polypropylene, polyamide, polylactide, PBAT, PBT or PTT.

Composite material according to one or more of the preceding claims, wherein the composite material contains a thermosetting polymer.

Composite material according to one or more of the preceding claims, wherein the composite material contains an elastomer.

Composite material according to one or more of the preceding claims, wherein the matrix polymers contained are completely degradable according to DIN EN 13432.

Composite material according to one or more of the preceding claims, wherein the matrix polymers originate entirely from biological sources.

Composite material according to one or more of the preceding claims, wherein the long fibers are long fibers made of cellulose, which were obtained by a regenerated process, in particular the viscose process, or by a direct dissolving process, in particular the lyocell or cupro process.

Composite material according to one of the preceding claims, wherein the short fibers were obtained by a regenerated process, in particular the viscose process, or by a direct dissolving process, in particular the lyocell or cupro process.

Composite material according to one of the preceding claims, wherein the short fibers are natural fibers, in particular cotton fibers, hemp fibers, ramie fibers and bagasse fibers, or cellulose fibers obtained from wood.

Composite material according to one of the preceding claims, wherein the composite material also contains wood flour in addition to the cellulosic short fibers and long fibers.

Process for the production of a composite material according to one of Claims 1 until 9 including the steps of providing a mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers, impregnating the mixture of cellulosic short fibers and cellulosic long fibers with at least one matrix polymer or at least one prepolymer and/or monomer for a matrix polymer, curing the matrix polymer by cooling, evaporating a solvent or reacting the or of the prepolymers and/or monomers.

A component containing a composite material according to one or more of Claims 1 until 9 .

A transport container containing a composite material according to one or more of Claims 1 until 9 .