DE19852036A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Werkstoffs - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Werkstoffs aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen natürlichen Polymer oder Polymer-Blend mit wenigstens einem natürlichen Polymer und Naturfasern zeichnet sich dadurch aus, daß das natürliche Polymer in Pulverform mit den Naturfasern vorgemischt, die Vormischung auf eine Spritzgießmaschine zur Plastifizierung aufgegeben und die plastifizierte Mischung über einen Auslauf, eine Angußeinrichtung oder dergleichen in eine Gießform überführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Werkstoffs aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen natürlichen Polymer oder Polymer-Blend mit wenigstens einem natürli­ chen Polymer und Naturfasern.

Faserverstärkte Kunststoff-Werkstoffe sind seit langem bekannt, wobei die Faserverstärkung insbesondere der Erhöhung der mechanischen Festigkeit sowie gegebenenfalls der Verbesserung weiterer Werkstoffeigenschaften, wie der thermischen Beständigkeit dient. Während glasfaserver­ stärkte Kunststoff-Werkstoffe die größte Bedeutung er­ langt haben, werden andere, beispielsweise mit Mineral-, Metall- oder Kohlefasern verstärkte Kunststoff-Werkstoffe z. B. für hochfeste und hochtemperaturbeständige Verbund­ werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt oder textilfaser­ verstärkte Kunststoffe für Spritz- und Preßmassen oder für die Herstellung von Kunststoffen, die hohen Zugspan­ nungen unterliegen, verwendet. Der wesentliche Vorteil faserverstärkter Kunststoff-Werkstoffe liegt in ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften, so daß sie zur Substitution von Metallen verwendet werden können, was mit einer erheblichen Gewichtsreduzierung verbunden ist.

Da die Herstellung synthetischer Fasern einen hohen Energieaufwand erfordert und somit teuer ist und viele synthetische Fasern, insbesondere Glas- oder Asbestfa­ sern, aufgrund ihrer Lungengängigkeit ein gesundheitli­ ches Gefährdungspotential darstellen, wird seit einiger Zeit versucht, diese durch natürliche Fasern auf der Basis nachwachsender Rohrstoffe, wie Hanf-, Flachs-, Sisal, Miscanthus, Cellulose- oder Holzfasern zu erset­ zen.

Formteile, Gebrauchsgegenstände und Industriegüter werden gegenwärtig meist auf der Basis synthetischer Polymere hergestellt. Da aus synthetischen Polymeren bestehende Kunststoff-Werkstoffe in vielen Fällen zur Herstellung von kurzlebigen Wirtschaftsgütern eingesetzt werden und das Recycling insbesondere aufgrund der mit großen Schwierigkeiten verbundenen Trennung der verschiedenen Kunststoffe mit erheblichen Kosten verbunden ist, ergibt sich der Wunsch nach einer Substition synthetischer durch natürliche Kunststoffkomponenten. Dieser Wunsch wird einerseits durch die steigenden, bei der Verbrennung synthetischer Kunststoffe entstehenden CO₂-Emissionen und andererseits durch die Begrenztheit der Erdölreser­ ven, aus denen die Grundstoffe der Kunststoffsynthese gewonnen werden, verstärkt. Demgegenüber zeichnen sich aus nachwachsenden Rohrstoffen gewonnene natürliche Polymere durch eine ökologisch neutrale CO₂-Bilanz aus, was bedeutet, daß bei Verbrennung der natürlichen Polymere der Atmosphäre nicht mehr CO₂ zugeführt wird, als ihr beim Wachstum der Rohstoffe entzogen wurde. Des weiteren sind insbesondere biologisch abbaubare bzw. kompostierbare natürliche Polymere von vorrangigem Inte­ resse, da diese im Vergleich mit den meisten syntheti­ schen Polymeren in einem wesentlich kürzeren Zeitraum und in der Regel rückstandslos abgebaut werden.

Viele aus nachwachsenden Rohrstoffen gewonnene natürliche Polymere, wie beispielsweise Lignin, Kollagen, Keratin, Casein oder Chitin, sind aufgrund ihrer thermoplastischen Eigenschaften als einzelne Komponente, mit Hilfsstoffen die Weichmachern, Antioxidantien etc., versetzt oder in einem Polymer-Blend zusammen mit weiteren natürlichen sind/oder synthetischen Polymeren mittels thermoplasti­ scher Verarbeitungsverfahren verarbeitbar und eignen sich daher insbesondere als Substituenten für synthetische Polymere.

Die Herstellung faserverstärkter Kunststoff-Werkstoffe, z. B. in Form von Granulaten, erfolgt in der Regel mittels Doppelschneckenextrudern, bei denen im Gegensatz zu Einschneckenextrudern eine homogene Verteilung der natür­ lichen Verstärkungsfasern in der Polymermatrix erreicht wird. Derartige Granulate können anschließend beispiels­ weise mittels Spritzgießverfahren weiterverarbeitet werden. Nachteilig hierbei ist, daß aufgrund des häufi­ gen Aufschmelzens der mit Naturfasern verstärkten natür­ lichen Polymere, nämlich sowohl bei der Herstellung eines Granulates als auch beim Umformen des Granulates zu einem Formteil, die Naturpolymere zur thermischen Degradation neigen, was deren Werkstoffeigenschaften merklich ver­ schlechtert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde hier Abhilfe zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Werk­ stoffs aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen natürlichen Polymer oder Polymer-Blend mit wenigstens einem natürlichen Polymer und Naturfasern dadurch gelöst, daß das natürliche Polymer in Pulverform mit den Naturfa­ sern vorgemischt, die Vormischung auf eine Spritzgießma­ schine zur Plastifizierung aufgegeben und die plastifi­ zierte Mischung über einen Auslauf, eine Angußeinrichtung oder dergleichen in eine Gießform überführt wird.

Eine Verbesserung gegenüber dem genannten Stand der Technik stellt die direkte Verarbeitung von Vormischungen aus pulverförmigen natürlichen Polymeren mit Naturfasern dar, welches den Verarbeitungsschritt zur Herstellung eines Granulates, bei dem das verwendete Polymer plasti­ fiziert wird, ersetzt. Somit wird das verwendete natür­ liche Polymer zur Herstellung eines Formteils nur ein einziges Mal plastifiziert, während es über einen Aus­ lauf, eine Angußeinrichtung oder dergleichen in eine Gießform überführt wird. Hierdurch werden thermische Degradationen minimiert.

Vorzugsweise wird das pulverförmige Polymer mit den Naturfasern direkt in einem Einfülltrichter einer Spritz­ gießmaschine vorgemischt, wobei die Vormischung vorzugs­ weise kontinuierlich durchmischt wird. Dies kann bei­ spielsweise mittels eines im Einfülltrichter der Spritz­ gießmaschine angeordneten Rührwerks erfolgen.

In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß als natür­ liches Polymer Lignin verwendet wird. Lignin ist ein hochmolekulares polyphenolisches Makromolekül, das in verholzenden Pflanzen die Räume zwischen den Zellmembra­ nen ausfüllt und zu Holz werden läßt, wobei ein Mischkör­ per aus druckfestem Lignin und zugfeste Cellulose ent­ steht. Lignin zeichnet sich durch im Vergleich mit ande­ ren Naturpolymeren bessere Werkstoffeigenschaften aus, wie beispielsweise einer hohen Festigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit.

Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt bei der Zellstoffgewinnung an und ist somit in großen Mengen verfügbar.

Für die Vormischung können pulverförmige Polymere mit beliebiger Partikelgröße verwendet werden. Vorzugsweise werden pulverförmige Polymere mit einer Partikelgröße zwischen 10 und 10 000 µm verwendet. Die zugesetzten Naturfasern können als Kurzschnitt und/oder in mehlarti­ ger Konsistenz beigemischt werden, beispielsweise mit einer Abmessung zwischen 100 und 50 000 µm.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Werkstoffs aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen natürlichen Polymer oder Polymer-Blend mit wenigstens einem natürlichen Polymer und Naturfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das natürliche Polymer in Pulverform mit den Natur­ fasern vorgemischt, die Vormischung auf eine Spritz­ gießmaschine zur Plastifizierung aufgegeben und die plastifizierte Mischung über einen Auslauf, eine Angußeinrichtung oder dergleichen in eine Gießform überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Polymer mit den Naturfasern direkt in einem Einfülltrichter einer Spritzgießma­ schine vorgemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischung aus pulverförmigem Polymer und Naturfasern kontinuierlich durchmischt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischung kontinuierlich gerührt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als natürliches Polymer Lignin verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmige Polymere mit einer Partikelgröße zwischen 10-10 000 µm verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Naturfasern mit einer Abmessung zwischen 100 und 50 000 µm verwendet werden.