Neue Einsatzgebiete für naturfaserverstärkte Kunststoffe

Mit nachwachsenden Rohstoffen Kunststoffe verstärken

Gemeinsam mit Partnern haben wir uns am Fraunhofer LBF intensiv mit der Weiterentwicklung naturfaserverstärkter Kunststoffe beschäftigt. Innerhalb weniger Monate haben wir einen neues Verfahren entwickelt, durch das Naturfasern breiter eingesetzt werden können. Faserbehandlung und Garntechnik haben wir dafür clever kombiniert.

Das bieten wir
Ein innovatives Verfahren, das neue Einsatzgebiete für naturfaserverstärkte Kunststoffe eröffnet.
Das brauchen wir
Unternehmen, die das neue Verfahren zur Marktreife bringen wollen.
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Hintergrund des Forschungsprojekts ist das Thema Biologische Transformation: Bei dieser Art des Wirtschaftens steht die nachhaltige Nutzung von biologischen Ressourcen wie Pflanzen oder Mikroorganismen im Vordergrund. Sie soll zukünftig die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen wie Erdöl, Kohle oder Gas reduzieren und helfen, die großen Herausforderungen wie Klimawandel und globales Bevölkerungswachstum zu meistern. Die Biologische Transformation bietet Chancen und Möglichkeiten für nahezu alle Branchen.

Ein Einsatzgebiet biologischer Ressourcen sind Werkstoffe – zum Beispiel eben naturfaserverstärkte Kunststoffe. Durch ihre Vorteile sind sie als Alternative für glas- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe interessant: Sie sind nachwachsend, biologisch abbaubar und robust, verbrauchen weniger Energie in der Herstellung, sind leichter und weisen bessere akustische Eigenschaften auf. Der Nachteil bisher: Sie nehmen sehr leicht Wasser auf, werden dadurch beschädigt und verlieren ihre sonst guten mechanischen Eigenschaften.

Vor diesem Hintergrund hat unser Team am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF zusammen mit Partnern eine spezielle Faserbehandlung und eine Garntechnik kombiniert. Dadurch können die Vorteile von Naturfasern voll ausgeschöpft werden.

Um die Naturfasern widerstandsfähiger zu machen, wird das Vorgarn mit Monomeren getränkt: Die Polymerisation läuft dann innerhalb des Garns ab. © Fraunhofer LBF

Der Ansatz: Eine clevere Kombination aus spezieller Faserbehandlung und Garnverfahren. Denn eine reine Oberflächenbehandlung der Naturfasern mit wasserabweisenden Schichten bringt keinen Fortschritt. Das Wasser dringt dann nach wie vor über Schnittkanten oder sonstige Beschädigungen in die Naturfaser ein. Aus diesem Grund haben wir die Fasern so behandelt, dass sie im Innern feuchteabweisend sind. Das gelang, indem wir Polymere im Innern der Naturfasern erzeugt haben.

Zunächst haben wir die Monomere des Kunststoffs in die Hohlräume der Naturfasern eindringen lassen. Die Polymerisation lief dann direkt im Innern der Fasern ab. Der Einsatz des Verfahrens ist insbesondere für thermoplastische Faserverbunde interessant, da bei deren Herstellung das geschmolzene Polymer sehr viskos ist, nicht ins Innere eindringt und die Fasern nur oberflächlich benetzt. Der Vorteil von Thermoplasten: Sie lassen sich auch nach der Herstellung noch beliebig verformen.

Naturfaserverstärkte Kunststoffe auch im Außenbereich

Bei den Versuchen verwendeten wir Flachsfasern in Form eines Vorgarns, also dem Zustand vor dem Verspinnen zu Garnen und deren Weiterverarbeitung zu textilen Flächen. Das hat den Vorteil, dass hierbei die Fasern vollständig mit dem Monomer getränkt werden können, da sie noch einzeln vorliegen.

Hier kommt nun das Garnverfahren des Instituts für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen ins Spiel. Im Umwindespinnverfahren ordnen die Aachener Wissenschaftler die Naturfasern parallel an und umwinden die parallelen Stränge mit einem Umwindefilament. Der Vorteil: Die Fasern sind dabei nicht verdreht, was Ihnen eine erhöhte Festigkeit verleiht.

Indem man beide Verfahren kombiniert, lassen sich die physikalischen Eigenschaften der Naturfasern voll ausschöpfen. Durch diese beiden Entwicklungen wird das Einsatzgebiet für naturfaserverstärkte Kunststoffe stark erweitert, sodass sie auch in Außenbereichen und hochbeanspruchten Bauteilen eingesetzt werden können.

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