Faserverstärkung
– eignet sich, um die mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften polymerer Werkstoffe deutlich zu verbessern.
Mit diesem Konzept ist eine aufwendige chemische Modifizierung der Polymere verzichtbar und es können neue Einsatzgebiete für Polymerwerkstoffe erschlossen werden. Das gilt natürlich gleichermaßen für Biopolymere. Folgt man dem Prinzip der Nachhaltigkeit, richtet sich der Blick auf pflanzliche Naturfasern und biobasierte Faserwerkstoffe. Glasfasern oder Hochleistungsfasern wie Aramid- oder Kohlenstofffasern lassen sich ebenfalls zur Verstärkung von Biopolymeren verwenden, werden hier aber nicht weiter betrachtet.
Materialien
Fasern zur Verstärkung thermoplastischer Biopolymere müssen gute mechanische Eigenschaften mitbringen, unschmelzbar sein und ein hohes Aspektverhältnis besitzen. Naturfasern haben den Nachteil, dass ihre Eigenschaften in hohem Maße von den schwankenden Wachstumsbedingungen abhängen.
Die kommerziell verfügbare Cellulose-Regenerat-Faser Cordenka CR eignet sich hervorragend als Verstärkungsfaser. Sie steht als endlose Hochleistungsfaser zur Verfügung und wird bisher hauptsächlich zur Seitenwandverstärkung von Reifen, die für Geschwindigkeiten über 190 km/h zugelassen sind, eingesetzt. Die vom Hersteller gelieferte Cordenka CR-Faser besteht aus 1350 Filamenten mit einem Gesamttiter von 2440 tex. Eine solche Faser kann, anders als eine Glasfaser, nicht direkt in einen Extruder eingezogen und dann während des Compoundierens zerkleinert werden. Zur Herstellung von Schnittfasern musste die Cordenka CR mit einem speziellen Faserschneidkopf geschnitten werden. Die kleinste Schnittlänge (entspricht der höchstmöglichen Zahl von Messern) betrug 1,5 mm. Davon ausgehend wurde die Schnittlänge jeweils verdoppelt und Schnittfasern von 3 mm, 6 mm und 12 mm Länge produziert.
Als Matrixpolymer wurde die PLA-Spritzgusstype Ingeo 3251D verwendet. Die Compoundierung erfolgte mit einem Doppelschneckenextruder Leistritz ZSE 18HP. Dieser Extruder hat einen Schneckendurchmesser von 18 mm und eine Verfahrenslänge von 50 D. Durch eine spezielle Temperaturführung wurde dafür gesorgt, dass das PLA bereits in den ersten vier Extruderzonen vollständig aufgeschmolzen war. Die Dosierung der Fasern erfolgte erst in Zone 5. Dadurch sollte eine schonende Einarbeitung der Fasern in die Polymerschmelze erreicht werden. Der Schneckenaufbau des Extruders war ebenfalls darauf ausgerichtet, eine faserschonende Verarbeitung zu ermöglichen. Die Schnittfasern wurden dem PLA bei einer Barrel-Temperatur von 180 °C zugegeben.
Insgesamt entstanden bei gleichen Extrusionsbedingungen vier PLA-Rayon-Compounds mit einem Faseranteil von 20 %. Aus dem Granulat wurde anschließend auf einem Spritzgussautomaten BOY 22A Normprüfkörpern hergestellt.
Einfluss der Faserlängenverteilung auf das Eigenschaftsprofil des Verbunds
Durch die Verarbeitung der Cellulosefasern im Extruder und anschließendem Granulieren des Strangs werden die Fasern eingekürzt. Tabelle 1 zeigt den Median der optischen Faserlängenbestimmung für die jeweiligen Compounds. Es fällt auf, dass die Fasern mit zunehmender Ausgangslänge durch den Verarbeitungsprozess stärker eingekürzt werden. Bei der hier gewählte Gerätekonfiguration blieb die Ausgangsfaserlänge von 3 mm am besten erhalten.
| Proben-Nr. | Faserlänge vor Compoundierung [mm] | Faserlänge im Prüfkörper [mm] | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 342 | 1,5 | 0,5 | |||
| 340 | 12 | 1,1 | |||
| 339 | 6 | 1,5 | |||
| 343 | 3 | 1,9 |
| Faserlänge [mm] | Charpy ungekerbt [kJ/m2] | Charpy gekerbt [kJ/m2] | Festigkeit [MPa] | E-Modul [GPa] | Dehnung [%] |
|---|---|---|---|---|---|
| ohne Fasern | 20 | 2 | 70 | 2,9 | 3,8 |
| 0,5 | 43 | 5 | 79 | 3,9 | 5,6 |
| 1,1 | 51 | 7 | 84 | 3,9 | 3,0 |
| 1,5 | 54 | 8 | 85 | 4,0 | 4,4 |
| 1,9 | 61 | 9 | 87 | 4,0 | 6,1 |