New functional biopolymer-natural fibre-composites from agricultural resources

• Forschungsstelle: EU FRP
• Projektnummer: 97.0217
• Projekttitel Englisch: New functional biopolymer-natural fibre-composites from agricultural resources

Schlüsselwörter (Deutsch)

Nachwachsende Rohstoffe; Biopolymere; Biocomposite

Alternative Projektnummern (Englisch)

EU project number: FAIR-CT98-3919

Forschungsprogramme (Englisch)

EU-programme: 4. Frame Research Programme - 4.3 Biomedical/Health research

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Siehe Abstract

Weitere Hinweise und Angaben (Englisch)

Full name of research-institution/enterprise:
ETH Zürich
Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen

Partner und Internationale Organisationen (Deutsch)

IVV München (D), Uni Bologna (I), Uni Gent (NL), OWS Gent (NL), FIAT Turin (I)

Abstract (Deutsch)

Das vorliegende Projekt sollte das technische Potential von Faserverbundwerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen aufzeigen. Wesentliche Ziele waren dabei die Optimierung der mechanischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit, die Composite mit bekannten Prozesstechnologien zu verarbeiten. Dabei wurde eine breite Palette von Einflussparametern auf die Eigenschaften solcher Composite untersucht, wie z.B. Wahl und Modifikation des Matrixpolymers, Wahl und Behandlung der Verstärkungsfaser. Nach dem Entwickeln eines optimalen Herstellprozesses wurden Demonstrationsbauteile hergestellt und geprüft. Im weiteren wurde deren Kompostierbarkeit untersucht und eine Life-Cycle Analyse durchgeführt. Die ETH Zürich hatte die Aufgabe, Prozesstechnologien zur Herstellung der Composite zu entwickeln. Es wurden die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien, der Zwischenprodukte wie auch der Composite charakterisiert, sowie Demonstrationsbauteile hergestellt.
In einer ersten Phase wurden verschiedene Fasern und Matrixpolymere auf Ihre Eignung getestet. Es zeigte sich, dass die Fasern vereinzelt und mit einer möglichst fremdstoffarmen Oberfläche vorliegen müssen. Dies wurde für Flachsfasern mittels dem alkalischen Dampfdruckaufschlussverfahren erreicht. Bei den Matrixmaterialien wurden Mehrphasenpolymere, wie z.B. modifizierte Stärkeblends, Einphasensystemen wie z.B. Polylactid gegenübergestellt. Stärkeblends weisen eine vorteilhafte grosse Bruchdehnung auf. Für Polylactid lässt sich aufgrund der einfacheren Chemie die Haftung zwischen Faser und Matrix über eine Behandlung der Faseroberfläche einstellen. Mittels geeigneter Oberflächenmodifikation der Flachsfasern konnte die Haftung zwischen Faser und Matrix um den Faktor zwei gesteigert werden. Aufgrund der Sprödigkeit von Polylactid wurden Weichmacher mittels Compoundieren in die Matrix eingearbeitet. Es zeigte sich, dass Bruchdehnungen bis zu mehreren 100-Prozent erreichbar sind.
Aufgrund einer relativ geringen Haftung zwischen Faser und Matrix bei der gewählten Kombination von Flachsfasern und weichgemachtem Polylactid ist eine grosse Faserlänge zur Übertragung der Spannungen im Werkstoff erforderlich. Beim am häufigsten angewandten Verarbeitungsverfahren, dem Spritzgussprozess, resultieren kurze Faserlängen, welche keine optimale Kraftübertragung erlauben. Im Rahmen des Projektes wurden deshalb Langfaser-Spritzgusskomposite sowie auch Heisspresskomposite entwickelt. Beide Verfahren basieren auf einem vorgängigen Mischen beider Komponenten mittels der Nassvliestechnik. Diese erlaubt ein genaues Einstellen der Fasergehalte und ein homogenes Mischen beider Komponenten ohne Faserverkürzung. Die Faserlänge konnte im Spritzgussprozess um einen Faktor von ca. 3 gesteigert werden.
Mit Heisspress- und Spritzgusskompositen wurden bruchmechanische Untersuchungen durchgeführt. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass mit dem Einsatz von Weichmachern die Schadenstoleranz erhöht und mit einem gezielten Ausrichten der vorhandenen Fasern der Risswachstumsvorgang positiv beeinflusst werden konnte. Mittels dem Vergleich beider Compositetypen konnte gezeigt werden, dass die Faserlänge ein wesentlicher Faktor für die Verbesserung der Schadenstoleranz darstellt.
Als Demonstrationsbauteile wurden für die Automobilindustrie ein Druckknopf und eine grosse Abdeckung des Getriebekanals mittels Spritzguss hergestellt. Mittels dem Heisspressen konnten Ventilatorschaufeln hergestellt werden. Alle Teile erfüllen die Anforderungen in Bezug auf Prozessierbarkeit und Festigkeit.
Somit konnte im Projekt aufgezeigt werden, dass nachwachsende Rohstoffen zu Faserverbundbauteilen prozessiert werden können und dass daraus resultierende Bauteile interessante mechanische Eigenschaften aufweisen.

Datenbankreferenzen (Englisch)

Swiss Database: Euro-DB of the
State Secretariat for Education and Research
Hallwylstrasse 4
CH-3003 Berne, Switzerland
Tel. [phone]
Swiss Project-Number: 97.0217