Machbarkeitstudie zur Erstellung von Rezepturen und Verfahren zur Produktion von Naturfaser-Polypropylen Compound-Produkten auf der Basis von Cellulosefasern aus Gras (Naturfaser-PP-Compound )

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 185.15.06

Key words (German)

Naturfaser, PP-Compound, Grasfaser, Biowert AG

Short description (German)

In den Vorgängerprojekten UTF 82.22.02 „Anlagentechnische Innovationen in einer Bioraffinerie“ und UTF 158.23.05 „Entwicklung eines Flugschichttrockners“ wurden Komponenten einer neuen Technologie zur Herstellung von Cellulosefasern aus Gras entwickelt. Die Produktion von Cellulosefasern aus Gras ist nun in einer stabilen Qualität möglich und Anwendungen, die über die ursprünglich vorgesehene Nutzung für Zwecke der Wärmedämmung im Hochbau gehen, werden möglich. Unter anderem ist es denkbar, dass sich diese Cellulosefasern als Verstärkungsfasern in thermoplastischen Kunststoffen eignen. Konkret sollen die Machbarkeit und Verwertungseigenschaften anhand eines Gemisches (Compound) von Polypropylen und Cellulosefasern geprüft werden (abgekürzt: NF-PP-Compound). Erste Untersuchungen in Zusammenarbeit mit der Universität Chemnitz/D (Prof. Köhler) und dem Faser-Logistik-Zentrum in Oderwitz/D weisen grundsätzlich auf gute Chancen dieser Machbarkeit.

Die Vorteile der Nutzung von Grasfasern sind das geringe spezifische Gewicht, die geringe Abrasions- und Splitterneigung, der niedrige Preis, die Recycling-Eigenschaft und die Tatsache, dass es sich um einen nachwachsenden Rohstoff handelt, der mit geringem Energieeinsatz konditioniert werden kann. Bestätigen sich die technische Machbarkeit von NF-PP-Compound und die erwarteten positiven Verwertungseigenschaften, so ist mit einem beträchtlichen Marktpotenzial zu rechnen.

Results according to contract (German)

• Technische Darstellung einer Produktionsanlage für NF-PP-Compound Granulate , insbesondere mit optimiertem Dosiersystem, Extruder und Granuliersystem.

• Mindestens 5 kg NF-PP-Compound Granulate mit mindestens 35% Grasfaseranteil.

• Messungen über die Verwertungseigenschaften von NF-PP-Compound, insbesondere bezüglich Festigkeit und Schlagzähigkeit.

Project aims (German)

• Erprobung der Machbarkeit für das technische Verfahren zur Produktion von NF-PP-Compound Granulaten.

• Erzeugung von NF-PP-Compound Granulaten mit mindestens 35% Grasfaseranteil.

• Bestimmung der Verwertungseigenschaften des NF-PP-Compounds.

Description of results (German)

1. Die nach dem Biowert Verfahren aus Wiesengras aufbereiteten Cellulosefasern sind zur Herstellung von faserverstärkten Polyolefine ( PP,PE) geeignet. Als Matrixmaterial können Polyolefine als Neuware sowie auch Recyclingmaterial (Mahlgut) eingesetzt werden.
2. Als Haftvermittler eignet sich besonders die SCONA Typen der Fa. Kometra in Pulverform.
3. Die Herstellung von Granulaten mit einem Fasergehalt von 50 Gew% gelingt mit hoher Reproduzierbarkeit mittels einer Verfahrenstechnik, die sich an der Technik einer Pelletierpresse orientiert. Biowert hat eigene Komponenten hierzu entwickelt und in der Grasveredelungsanlage Brensbach als kleine Produktionsanlage (300 t/a) aufgebaut und in Betrieb genommen.
4. Die nach dem Biowert-Granulierverfahren hergestellten Granulate zeigen eine gute Rieselfähigkeit und lassen sich nach Vortrocknen auf handelsüblichen Spritzgussmaschinen problemlos verarbeiten. Eine Modifikation der bestehenden Spritzgussanlage war in den bisherigen Anwendungen nicht nötig.
5. Die aus den Granulaten hergestellten Prüfstäben zeigen bzgl. Zugfestigkeiten und Zugmodulen Messwerte, die mit Konkurrenzprodukten auf Basis Bastfaser oder Holzfaser (WPC) vergleichbar sind.
6. Die ersten Musterungen und Kleinserien von Formteilen für die Konsumgüterindustrie bestätigen die bisherigen Aussagen.
7. erste Abklärungen zur Anmeldung von Gebrauchsmuster durch die Biowert wurden durchgeführt.
8. Die Ziele aus den Vorgaben der Machbarkeitsstudie wurden in allen Punkten erreicht.

Transfer and application (German)

1. Zur Bemusterung von weiteren Spritzguss Betrieben stehen genügend Mengen an Granulat zur Verfügung. Mit der Schweizer Firma Ammer AG/Rümlang werden gerade Musterungen von Unterputzdosen für den Bereich/Elektro/Bau durchgeführt.

2. Zur Markteinführung von AgriPlast BW müssen folgende Aktivitäten stringent durchgeführt werden:
- Aufbau einer AgriPlast homepage
- Erstellen von Produktbroschüren
- Bemusterung von namhaften Herstellern aus den Bereichen Konsumgüter, Bauhilfsgüter+Produkte der Möbelindustrie,usw
- Teilnahme an Ausstellungen und Messen
- Suche nach Partnerschaften zur Unterstützung der Marktdurchdringung.
- praxisnahe Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen/Preisfindung

Follow up (German)

1. Um die Konkurrenzfähigkeit von AgriPlast zu verbessern muss es neben der Verarbeitung auf Spritzgussmaschinen auch für die Verarbeitung auf Extrusionsanlagen geeignet sein. Beim Extrusionsverfahren ist es möglich die restlichen Mengen Wasser aus der Schmelze mit Hilfe von Vakuumentgasung zu entfernen. Es ist zu erwarten, dass der Haftvermittler vermehrt an die Zellulose anbindet und dadurch sich die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte weiter steigern lassen. Um darüber Informationen zu erhalten müssen Granulate hergestellt werden, die für die Extrusion geeignet sind (Schmelzflussindex(MFI) für Spritzguss 4 –10, MFI für Extrusion 0,5 – 2).

2. Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Faserverbunde kann durch eine Steigerung des sogenannten Längs-Querverhältnisses (L/Q-Verhältnis) der eingesetzten Cellulosefasern erzeugt werden. Das derzeitige L/Q-Verhältnis liegt bei ca.15 : 1 und wurde im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie nicht variiert. Durch Variation der Mahlwerkzeuge beim Nassaufschluss der Fasern erscheint es möglich, den Zerfaserungsgrad und damit das L/Q Verhältnis deutlich zu steigern. Bei einem L/Q Verhältnis von ca. 40 : 1 kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der
Faserverbunde um weitere 20 – 30 % erwartet werden.

3. Die bisher eingesetzten Matrixmaterialien (Polyethylen/Polypropylen) sind biologisch nicht abbaubar. Hier könnten kommerziell verfügbare thermoplastische Matrix- Materialien wie z.B. MaterBi oder Celluloseacetat die Produktepalette von AgriPlast erweitern und als 100% biologisch abbaubare Formteile am Markt angeboten werden.

4. Ein weitere Punkt ist die Validierung der Recyclingfähigkeit von AgriPlast. Hierzu müssen bereits hergestellte AgriPlast Formteile gemahlen und erneut zu Spritzgussteilen verarbeitet werden. Möglicherweise lohnt sich das Recycling in
wirtschaftlicher wie auch technischer Hinsicht (Verbesserung der Homogenität), bevor es einer thermischen Verwertung (Müllverbrennung) zugeführt wird.

5. Die bereits angelaufenen Marketing-Aktivitäten haben gezeigt, dass im Konsumgüterbereich durchaus Nachfrage nach AgriPlast besteht. Die in Brensbach installierte Granulierstrecke hat derzeit eine Produktionskapazität von 150 – 200 bis
max. 250 kg /h. Um die steigende Nachfrage nach Markteinführung zu befriedigen und Kunden, die grössere Mengen regelmässig beziehen wollen, Liefersicherheit zu gewährleisten, muss am Standort Brensbach eine Produktionseinheit installiert werden, die eine Produktionskapazität von mind. 1 t/h aufweist. Durch Inbetriebnahme einer solchen Produktionseinheit dürften auch Kosteneinsparungen im Betrieb (aufgrund des besseren Automatisierungsgrades) und Qualitätsverbesserungen beim Endprodukt (Gleichmässigkeit der Granulate in Bezug auf Korngrösse und Faser/Kunststoff-Verteilung) erwartet werden.

Publications / Results (German)

Im Magazin UMWELT 1/2008 wird dieses Projekt erwähnt. Mehr Informationen unter www.umwelt-schweiz.ch/magazin oder im angehängten PDF.

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• UMWELT+40-43 Grasverwertung.pdf [PDF] 566 kB