Prozess- und materialtechnische Entwicklung von thermoplastischen Hybridverbunden mit Holzfaserverstärkung

Titelangaben

Obermeier, Frederik:
Prozess- und materialtechnische Entwicklung von thermoplastischen Hybridverbunden mit Holzfaserverstärkung.
Bayreuth , 2023 . - 149 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007170

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Abstract

Aufgrund ihres Leichtbaupotentials und der vorteilhaften Ökobilanz werden thermoplastische Hybridverbunde mit Naturfaserverstärkung (z. B. Flachs, Hanf und Kenaf) seit langem in der Automobilindustrie eingesetzt. Holzfasern (z. B. Fichte) wurden in diesem Zusammenhang bisher nicht untersucht. Die mechanischen Eigenschaften von Holzfasern sind vergleichbar mit Natur¬fasern. Darüber hinaus bieten Holzfasern Vorzüge wie lokale Verfügbarkeit und eine vorteilhafte Ökobilanz. Bei Hybridverbunden kann zudem die gleiche Holzfaser sowohl im Anspritzmaterial als auch in flächigen Halbzeugen als Verstärkungsfaser genutzt werden. So wird ein unnötiger Materialmix vermieden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden thermoplastische Faserverbundkunststoffe mit Holzfasern untersucht. Hierzu werden Fichtefasern über ein thermo-mechanisches Aufschlussverfahren im Labormaßstab hergestellt. Diese Fichtefasern werden einerseits über einen Spritzgusscompounder mit Polypropylen und Haftvermittler direkt compoundiert, andererseits werden sie mit Polypropylenfasern über ein Airlay-Verfahren zu einem Vlies gelegt. Bei der direkten einstufigen Compoundierung werden verschiedene Holzfaseranteile von bis zu 30 Gew. % untersucht. Mit einem steigenden Holzfaseranteil wurde eine Erhöhung der Zugeigenschaften, der Viskosität und der Dichte festgestellt. Die Holzfasern haben somit eine Verstärkungswirkung. Die Kerbschlagzähigkeit bleibt bei steigendem Holzfaseranteil im Rahmen der Standardabweichung konstant, ist jedoch im Vergleich zum unveränderten Grundpolymer geringer.
Eine charakteristische Eigenschaft direkt angespritzter Strukturen bei Hybridverbunden ist die Verbundhaftung. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Verbundfestigkeit angespritzter Rippen aus Polypropylen und Fichtefasern mit verschiedenen Vliesstoffen verglichen. Die Vliese bestehen aus Holzfasern (Fichte) oder alternativ aus Naturfasern (Kenaf und Hanf), jeweils mit einer Polypropylenmatrix. Im Kopf-Zug-Versuch zeigt sich, dass die Kerntemperatur der Vliese und die Rippengeometrie einen signifikanten Einfluss auf die Verbundhaftung haben. Ein Direkt-Compound und ein Wood-Plastic-Composite als Anspritzmaterial unterscheiden sich hinsichtlich der Verbundhaftung nicht signifikant voneinander. Natur- und Holzfaser-Hybridverbunde weisen vergleichbare Tendenzen in der Verbundfestigkeit und Mechanik auf. Weitere Tests mit Computertomographie und Durchstoßversuchen bestätigen die Ergebnisse. Holzfaserverstärkte thermoplastische Hybridverbunde können somit bezüglich ihres mechanischen Verhaltens mit Naturfaserverbundwerkstoffen konkurrieren und stellen eine geeignete Alternative dar.

Abstract in weiterer Sprache

Due to their lightweight potential and advantageous life cycle assessment, thermoplastic hybrid composites with natural fiber reinforcement (e.g., flax, hemp, and kenaf) have long been used in the automotive industry. Wood fibers (e.g., spruce) have not yet been investigated in this context. The mechanical properties of wood fibers are comparable to those of natural fibers. Wood fibers also offer advantages such as local availability and a favorable eco-balance. The same wood fiber can be used in hybrid composites as a reinforcing fiber in the injection material and in flat semi-finished products, thus avoiding an unnecessary mix of materials.
This work investigated thermoplastic fiber composites with wood fibers. Spruce fibers were produced on a laboratory scale using a thermo-mechanical pulping process. These fibers were either directly compounded with polypropylene and a coupling agent via an injection molding compounder or were laid with polypropylene fibers via an airlay process to form a non-woven. In direct one-stage compounding, an increased wood fiber content of up to 30 wt.-% was examined. It was observed that more wood fiber content led to an increase in tensile properties, viscosity, and density. The wood fibers had a reinforcing effect. With increased wood fiber content, the notched impact strength remained constant within standard deviation but was lower than that of the unchanged base polymer.
A characteristic property of directly molded structures in hybrid composites is the bond strength. This work compared the bond strength of injection-molded ribs made of polypropylene and spruce fibers with different non-wovens. The non-wovens were made of wood (spruce) or natural fibers (kenaf or hemp), both of which have a polypropylene matrix. The pull-off test indicated that the core temperature of the non-wovens and the rib geometry significantly influenced the bond strength. A direct compound and a wood-plastic composite (WPC) as injection material showed no significant difference in the pull-off test. Natural and wood fiber hybrid composites exhibited similar trends in bond strength and mechanics with similar parameters. Further tests (puncture tests, viscosity measurements, microscopy, and computer tomography) confirmed the results. Wood-fiber-reinforced thermoplastic hybrid composites can compete with natural-fiber composites in mechanical behavior and therefore represent a good alternative for technical semi-structural applications.