DE102021003780A1

DE102021003780A1 - Faserverbundwerkstoff unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen und Verfahren zur Herstellung von festen Gebilden aus solchen Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102021003780A1
Application number: DE102021003780.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Rau
Original assignee: Holzwerk Rockenhausen GmbH and Co KG
Current assignee: Holzwerk Rockenhausen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Ein Faserverbundwerkstoff unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen unter Verwendung von Fasern aus zumindest Hanf, Kenaf und Polyethylenterephthalat (PET) zeichnet dadurch aus, dass das Verhältnis von Hanf-Fasern zu Kenaf-Fasern und PET-Fasern ungefähr 4 bis 6 Einheiten Hanf zu 4 bis 6 Einheiten Kenaf zu 1 Einheit PET, vorzugsweise 5 Einheiten Hanf zu etwa 5 Einheiten Kenaf und etwa eine Einheit PET bezogen auf das Gewicht beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Faserverbundwerkstoff unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen und Verfahren zur Herstellung von festen Gebilden aus solchen Faserverbundwerkstoffen.
Aus DE 10251518 A1 ist bekannt, Faserverbundwerkstoffe unter Verwendung der beiden Komponenten Fasern und Matrix herzustellen. Dabei werden in eine polymere Bettungsmasse als Matrix Verstärkungskomponenten in Form von Fasern in gerichteter oder ungerichteter Form inkorporiert. Dabei bewirken die in die Matrix eingebetteten Fasern eine Verstärkung der Verbundwerkstoffe. Häufig werden zugfeste und steife Fasern aus beispielsweise Kohlenstoff, Silicium, Amid, Glas oder Graphit eingesetzt. Häufig werden als Matrix duroplastische Systeme wie ungesättigte Polyesterharze (UP), Epoxidharze (EP) oder Vinylester (VE) und thermoplastische Materialien wie Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK) verwendet. Hohlräume zwischen den Fasern werden von der Matrix gefüllt und umhüllt. Ferner schützt die Matrix vor Umgebungseinflüssen wie Feuchtigkeit, Strahlung oder Chemikalien. Bei den Fasern können Naturfasern wie beispielsweise Hanf, Flachs, Ramie, Nessel, Baumwolle, Wollen, Seiden, Spinnseiden, Bomeliafasern, Sisal, Kenaf, Abaca, Lyocell/Newcell und Jute verwendet werden. Die Herstellung der Faserverbundwerkstoffe kann nach dem Pultrusionsverfahren erfolgt, bei dem ein Naturfaserstrang mit einer Matrix auf Basis von Pflanzenölepoxiacrylat getränkt wird und der getränkte Naturfaserstrang in ein Formwerkzeug, in dem die Formung und Aushärtung erfolgt, eingeleitet wird. Die Temperatur wird hierbei stufenweise erhöht, wobei die Temperatur während der Aushärtung 250°C nicht übersteigen sollte.
DE 102008008741 A1 schlägt vor, ein Gemisch aus 65 Gewichts-% Holzfasern, 20 Gewichts-% Langnaturfasern und 15 Gewichts-% Bindemitteln auf Duroplastbasis zu verwenden. Das Mischvlies soll bei etwa 200°C in einem Formwerkzeug zu einem Formteil verpresst werden.
In EP 1582344 A1 ist die Herstellung von Kfz-Türverkleidungen aus Faserverbundwerkstoff unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen beschrieben. Das Werkzeug hat dabei einen Oberflächentemperatur von 200°C und einen Pressdruck von 20 kg/cm². Derartige Formteile können auch als Einsätze für Möbel verwendet werden.
Aus WO 2014/001340 A1 ist bekannt, Naturfasern wie Kenaf und Hanf mit biobasierten Kunststoffen wie Bio-PET zu kombinieren, um die Eigenschaften der Faserverbundbauteile zu verbessern.
DE 102007036952 A1 beschreibt eine Schallisolierung unter Verwendung von Polyesterfasern wie beispielsweise PET und Naturfasern wie Hanf und Kenaf.
Aus DE 19934377 A1 ist bekannt Kunststoff aus PET-Fasern mit Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen wie Hanf zu verbinden und daraus polyesterverstärkten Polypropylencompound herzustellen. In dem Dokument wird eine weitreichende Spannweite für die Zusammensetzung angegeben. Hierbei soll der Anteil der Naturfasern wie beispielsweise Hanf insgesamt unter 40 Gewichts-% und der Anteil der Polyesterschnittfasern unter 50 Gewichts-% bleiben. Durch eine Erhöhung des Anteils von PP und PET lässt sich der Zug-E-Modul, die Bruchdehnung nach DIN EN ISO 527-1 sowie das Biegemoduls nach DIN ISO 178 des Compounds steigern.
Aus Nachhaltigkeitsgründen können auch Recyclingstoffe bei derartigen Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Faserverbundwerkstoff unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen mit guten Gebrauchseigenschaften zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dies mittels eines Faserverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie gemäß den abhängigen Ansprüchen gelöst.
Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff verwendet Hanffasern und Kenaffasern als nachwachsende Rohstoffe. Hinzu kommen Fasern aus Polyethylenterephthalat (PET); diese erleichtern die Verarbeitbarkeit. Insbesondere der maschinelle Transport wird durch den Zusatz von PET erleichtert. Ein optimales Verhältnis hat sich dabei eingestellt, wenn bezogen auf das Gewicht der Komponenten 4 bis 6 Einheiten Hanf mit 4 bis 6 Einheiten Kenaf und 1 Einheit PET verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis von etwa 5 Einheiten Hanf zu etwa 5 Einheiten Kenaf und etwa einer Einheit PET.
Es ist besonders nachhaltig, wenn die PET-Fasern aus recyceltem PET stammen. Hierdurch kann die Stabilität erhöht werden ohne neuen Kunststoff verwenden zu müssen.
Ein optimales Gemisch ergibt sich, wenn der Faserverbundwerkstoff aus ungefähr einem Viertel Bindermatrix bezogen auf das Gewicht besteht.
Vorteilhaft verarbeitbare und verwendbare Faserverbundvliesmatte lassen sich aus vorgenanntem Faserverbundwerkstoff herstellen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung von festen Gebilden aus einem Faserverbundwerkstoff werden zunächst Fasern aus Hanf, Kenaf und PET sowie Bindermatrix durchmischt und zu einem Fasergeflecht in Faserverbundvliesmatten zusammengefügt. Diese Faserverbundvliesmatten werden dann ein- oder mehrlagig zusammengefasst und unter Druck und erhöhter Temperatur ausgehärtet. Bei 3-dimensional gepressten Platten erhalten diese durch die Form häufig Stabilität, so dass bereits dünne Formen stabil sein können. Bei ebenen Platten hingegen ist zumeist eine größere Materialdicke erforderlich, um Stabilität zu erhalten.
Bei diesem Verfahren beträgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Temperatur beim Pressen ungefähr 150°C.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt bei diesem Verfahren der Druck beim Pressen ungefähr 7,8 bar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt bei diesem Verfahren die Zeit beim Pressen zwischen 10 und 20 Minuten.
Es gibt Verfahren zur Herstellung von festen Gebilden aus einem Faserverbundwerkstoff, bei denen höhere Temperaturen und / oder höhere Drück verwenden werden. Dadurch lässt sich zumeist die Prozesszeit reduzieren.
Beim Pressen unter Temperatureinwirkung wird der Wasseranteil im Binder verdunstet, wodurch der Binder und somit die Vliesmatten erstarren. Bei hohen Temperaturen und / oder hohen Drücken sowie kurzen Prozesszeiten muss häufig das Werkzeug zwischendurch geöffnet werden, damit die Feuchtigkeit entweichen kann. Kann die Feuchtigkeit nicht entweichen, so besteht die Gefahr, dass Blasen im Gewebe eingeschlossen bleiben. Längere Prozessdauern bei niedrigeren Drücken und Temperaturen erlauben hingegen ein besseres Diffundieren, so dass die erstarrten Gebilde homogener und somit belastbarer sind.
Die festen Gebilde, welche entsprechend hergestellt werden, können bevorzugt als Bestandteil von Möbeln, insbesondere als Organisationselemente von Möbeln verwendet werden. Besonders geeignet sind die Produkte zur Herstellung von Besteckkästen in Schubladen.
Bei Faserverbundwerkstoff ohne PET-Zusatz hat sich eine Zusammensetzung aus 39% Hanf, ebenfalls 39% Kenaf sowie 22% Bindermatrix als vorteilhaft herausgesellt. Unter Verwendung von Recycling-PET hat ein Faserverbundwerkstoff aus 34% Hanf, 34% Kenaf, 7% PET-Regenerat sowie 25% Bindermatrix besonders gute Eigenschaften. In Anwendungen der Automobilindustrie mit dünneren, aber dafür 3-dimenional geformten Produkten werden zumeist 10 % PET verwendet. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass mit zunehmender Dicke der Ausgangsmatten beziehungsweise bei der Verwendung mehrerer paralleler Matten bei ähnlich positiven Eigenschaften der PET-Anteil auf 7 % reduziert werden kann. Eine weitere Reduzierung des PET-Anteils führte wiederum zu einer schlechteren Verarbeitbarkeit.
Die Ausgangsmatten haben häufig eine Dicke von 7 mm; deren Dicke wird beim Pressen auf 2 mm reduziert. Für den hier beschriebenen Einsatzzweck werden zumeist 2 (Fertigdicke 4 mm), 3 (Fertigdicke 6 mm) oder 4 Lagen (Fertigdicke 8 mm) verwendet.
Die Oberfläche der Platten muss nach dem Pressen so beschaffen sein, dass sie mit wasserbasierten Beizen und Lacken für Massivholz farbgebend beschichtet werden können. Hier hat sich der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff und das erfindungsgemäße Verfahren als äußerst vorteilhaft herausgestellt.
Die Platten, welche aus den erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, erfüllen die Anforderungen an die Innenraumrichtwerte des Umweltbundesamtes bezüglich der VOC-Raumluftkonzentration (VOC = Volatile Organic Compounds) nach 28 Tagen.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf vorgenannte Anwendung begrenzt, sondern umfasst jede Anwendung, welche unter den Wortlaut der Ansprüche fällt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10251518 A1 [0002]
DE 102008008741 A1 [0003]
EP 1582344 A1 [0004]
WO 2014001340 A1 [0005]
DE 102007036952 A1 [0006]
DE 19934377 A1 [0007]

Claims

Faserverbundwerkstoff unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen unter Verwendung von Fasern aus zumindest Hanf, Kenaf und Polyethylenterephthalat (PET), dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Hanf-Fasern zu Kenaf-Fasern und PET-Fasern ungefähr 4 bis 6 Einheiten Hanf zu 4 bis 6 Einheiten Kenaf zu 1 Einheit PET, vorzugsweise 5 Einheiten Hanf zu etwa 5 Einheiten Kenaf und etwa eine Einheit PET bezogen auf das Gewicht beträgt.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PET-Fasern aus recyceltem PET stammen.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff aus ungefähr einem Viertel Bindermatrix bezogen auf das Gewicht besteht.
Faserverbundvliesmatte aus einem Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verfahren zur Herstellung von festen Gebilden aus einem Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern aus Hanf, Kenaf und PET sowie Bindermatrix durchmischt und zu einem Fasergeflecht in Faserverbundvliesmatten zusammengefügt werden und diese Faserverbundvliesmatten ein- oder mehrlagig unter Druck und erhöhter Temperatur verdichtet und ausgehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Pressen ungefähr 150°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Pressen ungefähr 7,8 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit beim Pressen zwischen 10 und 20 Minuten beträgt.
Verwendung eines festen Gebildes, welches nach einem der Ansprüche 5 bis 8 hergestellt wurde, als Bestandteil von Möbeln, insbesondere als Organisationselemente von Möbeln, insbesondere Besteckkästen in Schubladen.