DE19852067C2 - Faserverstärkter Werkstoff - Google Patents

Abstract

Ein aus wenigstens einem thermoplastischen oder thermoelastischen, synthetischen und/oder natürlichen Polymer sowie natürlichen Verstärkungsfasern bestehender Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß er als natürliche Verstärkungsfasern Hanffasern enthält. Besteht der erfindungsgemäße Werkstoff aus mehreren Polymeren, so kann dieser homogen oder heterogen aufgebaut sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Werkstoff, bestehend aus wenigstens einem thermoplastischen oder thermoelastischen, synthetischen und/oder natürlichen Polymer sowie natürlichen Verstärkungsfasern.

Derartige Werkstoffe sind seit langem bekannt, wobei die Faserverstärkung insbesondere der Erhöhung der mechani­ schen Festigkeit sowie gegebenenfalls der Verbesserung weiterer Werkstoffeigenschaften, wie der thermischen Beständigkeit dient. Während glasfaserverstärkte Polymer­ werkstoffe die größte Bedeutung erlangt haben, werden andere, beispielsweise mit Mineral-, Metall- oder Kohle­ fasern verstärkte Polymerwerkstoffe z. B. für hochfeste und hochtemperaturbeständige Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt oder textilfaserverstärkte Kunststof­ fe für Spritz- und Preßmassen oder für die Herstellung von Kunststoffen, die hohen Zugspannungen unterliegen, verwendet. Der wesentliche Vorteil faserverstärkter Werkstoffe liegt in ihren hervorragenden mechanischen Ei­ genschaften, so daß sie zur Substitution von Metallen ver­ wendet werden können, was mit einer erheblichen Gewichtsre­ duzierung verbunden ist.

Da die Herstellung synthetischer Fasern einen hohen Ener­ gieaufwand erfordert und somit teuer ist und viele synthe­ tische Fasern, insbesondere Glas- oder Asbestfasern, auf­ grund ihrer Lungengängigkeit ein gesundheitliches Gefähr­ dungspotential darstellen, wird seit einiger Zeit versucht, diese durch natürliche Fasern auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu ersetzen. Mit Naturfasern, wie Flachs-, Si­ sal-, Miscanthus-, Cellulose- oder Holzfasern verstärkte synthetische oder natürliche Kunststoffe weisen jedoch im Vergleich zu beispielsweise glasfaserverstärkten Kunststof­ fen eine deutlich geringere Festigkeit auf.

Es ist ein mit Baumwollfasern verstärkter Verbundwerkstoff aus Lignin bekannt (DE 197 00 906 A1), wobei zwar auf eine innige Verbindung zwischen der Beschichtung und der Faser hingewiesen wird, jedoch keine Aussagen zur Festigkeit ei­ nes derartigen Werkstoffverbundes gemacht sind.

Ferner ist ein naturfaserverstärkter, tiefziehfähiger Kunststoff bekannt (DE 297 14 267 U1), wobei im Kunststoff­ material Mikroschaum enthalten ist. Der Mikroschaum soll die Ausbildung von Falten während des Tiefziehens verhin­ dern und somit als Puffer für die Formgebung dienen, indem die im Mikroschaum eingeschlossene Luft während des Tief­ ziehens verdrängt wird, so daß eine Materialanhäufung in­ folge der Ausbildung von Ziehfalten verhindert wird. Als Naturfasern sollen vornehmlich Kokos-, Hanf-, Sisal- oder Kenaffasern eingesetzt werden.

Aus der EP 0 319 589 B1 ist ein thermoplastischer Verbund­ werkstoff zum Einsatz in dünnen, extrudierten Folien be­ kannt, wobei der Werkstoff aus einer thermoplastischen Ma­ trix mit gleichmäßig in die Matrix eingemischten Hanffasern sowie Partikeln, Mehl oder Schuppen aus ligninhaltigen Füllstoffen besteht. Die aus dem Verbundwerkstoff durch Ex­ trudieren hergestellten Folien weisen insbesondere gleich­ bleibende physikalische Eigenschaften auf und sind somit als Massenprodukte mit nur geringem Ausschuß produzierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit natür­ lichen Fasern verstärkten Werkstoff der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß er als gleichwertiger Ersatz für mit synthetischen Fasern verstärkte Kunststoffe dienen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem faserverstärk­ ten Werkstoff der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß er als natürliche Verstärkungsfasern Hanffasern ent­ hält. Der Vorteil der Verwendung der Hanffaser liegt in deren im Vergleich mit allen anderen Naturfasern wesentlich höheren Zug- und Bruchfestigkeit, so daß ein mit Hanffasern verstärkter Werkstoff annähernd die gleichen hochwertigen Werkstoffeigenschaften aufweist wie der entsprechend mit synthetischen Verstärkungsfasern verstärkte Werkstoff. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringeren Verschleißwirkung der Hanffasern im Vergleich mit synthetischen Fasern auf entsprechende Verarbeitungs­ maschinen, wie Extruder, Mischer oder Spritzgießmaschi­ nen. Weiterhin kann die wasserabweisende Wirkung der Hanffaser insbesondere bei Verwendung in Verbindung mit natürlichen Polymeren von großem Nutzen sein, da viele natürliche Polymere, wie Casein, Cellulosenitrate, -ace­ tate, -ester oder -ether hygroskopisch sind, was mit einer mangelnden Formstabilität einhergeht. Die Hanffaser zeichnet sich ferner gegenüber anderen Naturfasern da­ durch aus, daß sie in großen Mengen zur Verfügung ge­ stellt werden kann, da sich Hanf als Einjahrespflanze durch ein außerordentlich schnelles Wachstum auszeichnet.

Der faserverstärkte Werkstoff kann beispielsweise aus nur einem Polymer, einem Polymer-Blend aus synthetischen und/oder natürlichen Polymeren oder aus einem mehrschich­ tigen Polymerverbund aus synthetischen und/oder natürli­ chen Polymeren bestehen. Besteht der Werkstoff bei­ spielsweise ausschließlich oder überwiegend aus natürli­ chen Polymeren, so ist der mit Hanffasern verstärkte Werkstoff leicht biologisch abbaubar und weist bei Verbrennung eine ökologisch neutrale CO₂-Bilanz auf, was bedeutet, daß bei Verbrennung des Werkstoffs der Atmosphäre nicht mehr CO₂ zugeführt wird, als ihr beim Wachstum der Rohstoffe sowohl für die Polymere als auch für die Fasern entzogen wurde. Besteht der Werk­ stoff beispielsweise aus einem mehrschichtigen Polymer­ verbund, so wirken die Hanffasern als zusätzliche Haft­ vermittler an der Übergangszone der Polymere. Ein derar­ tiger Polymerverbund kann beispielsweise auch lediglich eine als Träger dienende faserverstärkte Polymerkomponen­ te aufweisen, auf die eine weitere Polymerkomponente z. B. in Form einer Beschichtung aufgebracht ist.

Eine vorteilhafte Ausführung sieht einen Werkstoff vor, der als natürliches Polymer Lignin, insbesondere Alkali- Lignin enthält. Lignin ist ein natürliches Polymer und zeichnet sich im Vergleich zu anderen Naturpolymeren durch merklich bessere Werkstoffeigenschaften, wie eine vergleichsweise hohe Festigkeit, Steifigkeit, Schlagzä­ higkeit, sowie UV-Beständigkeit aus. Weiterhin ist Lignin ein geeignetes Dämmittel zur Wärme- und Schallisolierung. Lignin ist ein hochmolekulares polyphenolisches Makromo­ lekül, das in verholzenden Pflanzen die Räume zwischen den Zellmembranen ausfüllt und zu Holz werden läßt. Es fällt in großen Mengen als Nebenprodukt bei der Zell­ stoffgewinnung an und ist somit in großen Mengen verfüg­ bar. Hierbei entstehen beim Aufschluß des Holzes Lignin­ sulfonsäuren als Bestandteil der Sulfitablaugen, in denen die Ligninsulfonsäuren als Phenolate ("Alkali-Lignin") gelöst sind. Durch Behandlung mit Schwefelsäure und Kohlendioxid kann die Ligninsäure ausgefällt werden.

Das mit Hanffasern verstärkte Lignin kann allein, in einem Blend mit weiteren natürlichen oder auch syntheti­ schen Polymeren oder in Form eines mehrschichtigen Poly­ merverbunds zur Herstellung unterschiedlichster Formtei­ le, wie beispielsweise Fensterrahmenprofile, Türen, Möbel oder Gehäuse dienen. Hierbei verleiht der Ligninanteil dem Werkstoff einen für viele Verwendungszwecke erwünsch­ ten holzähnlichen Charakter.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß beispielsweise die Hanffasern auf einen das Polymer plastifizierenden Extruder aufgegeben wird. Um eine homogene Mischung des Polymers und der Fasern zu gewährleisten, sollten die losen Fasern in einem Bereich der Extruderschnecke aufge­ geben werden, in dem das Polymer bereits geschmolzen ist. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Kunststoffes kann folglich auf jeder herkömmlichen, zur Faserverstärkung mit synthetischen Fasern geeigneten Vorrichtung erfolgen.

Es wird ein Polymergemisch aus 30% Celluloseacetat und 30% Lignin (Alkali-Lignin) in einem Extruder aufplastifiziert und anschließend 40% Hanffasern in die plastifizierte Masse zudosiert. Das entstehende Compound wird bei Temperaturen zwischen 120°C und 170°C und einem Extrusionsdruck von ca. 200 bar ausgeformt und anschließend granuliert. In einem Vergleichsversuch werden gleiche Anteile des Polymergemischs mit 40% Holzfasern versetzt und bei gleichen Parametern ex­ trudiert. Die Bruchfestigkeit und Zugfestigkeit des mit Hanffasern verstärkten Granulats liegt um 30 bis 50% höher als die des Granulats mit Holzfasern.

Mit variierendem Faseranteil wurde für Hanffaser-verstärkte Granulate eine Bruchfestigkeit zwischen 80 bis 40 N/mm², mit Holzfasern jedoch nur von 12 bis 20 N/mm² gemessen.

Claims (5)

1. Faserverstärkter Werkstoff, bestehend aus wenigstens einem thermoplastischen oder thermoelastischen, synthetischen und/oder natürlichen Polymer sowie natürlichen Verstärkungsfasern, dadurch gekennzeich­ net, daß er als natürliche Verstärkungsfasern Hanf­ fasern enthält.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus nur einem Polymer besteht.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Polymer-Blend aus synthetischen und/oder natürlichen Polymeren besteht.

4. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem zwei- oder mehrschichtigen Polymer­ verbund aus synthetischen und/oder natürlichen Polymeren besteht.

5. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er als natürliches Polymer Lignin, insbesondere Alkali-Lignin enthält.