Bio-basierte Faserverbundkunststoffe mit neuartigen Matrixsystemen

Nachhaltigkeit und Recycling stellen aktuelle Themen dar, die sowohl in der Forschung als auch in der Politik zunehmend stärker diskutiert werden. Vor allem das Recycling von faser-verstärkten Kunststoffen stellt dabei eine Herausforderung dar, da die einzelnen Komponenten des Werkstoffes nur schwer voneinander getrennt werden können. Als Chance gelten naturfaserverstärkte Kunststoffe, vor allem bei der Verwendung einer bio-basierten Matrix. Ein bio-basiertes Matrixsystem, in Form eines auf PLA basierenden ungesättigten Polyesters, ist Gegenstand aktueller Forschung und birgt hohes Potential für die Anwendung als Leichtbauwerkstoff. Da noch kein bevorzugtes Verarbeitungskonzept für das neuartige Matrixsystem vorliegt, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines geeigneten Konzeptes und dem Einfluss der Fertigungsparameter auf die Werkstoffeigenschaften. Es konnte ein Heißpressverfahren entwickelt werden, mit welchem sowohl duromere als auch thermoplastische Matrices zu naturfaserverstärkten Kunststoffen verarbeitet werden können. Die Imprägnierung erfolgte für Thermoplasten durch Film-Stacking, für Duromere mittels Handlaminieren. Als entscheidender Fertigungsparameter wurde der Pressdruck identifiziert, welcher anschließend während der Fertigung variiert wurde. Die Versuchsreihen zum Einfluss des Pressdrucks wurden von Prüfungen zur Bestimmung der Biege- und Zugeigenschaften sowie der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit begleitet. Zusätzlich wurden charakteristische Materialkennwerte wie Faservolumengehalt, Fasermassegehalt, Dichte und die Durchtränkung des Verbundes bestimmt und mit dem veränderten Parameter korreliert. Mit dem entwickelten Verarbeitungskonzept war es möglich, vollständig durchtränkte naturfaserverstärkte Kunststoffe mit reproduzierbaren Eigenschaften zu fertigen. Aufgrund von unterschiedlichen Faservolumengehalten zwischen den Prüfserien wurden die ermittelten Kennwerte auf den Faservolumengehalt normiert, um den Einfluss des Drucks sichtbar zu machen. Alle Verbunde zeigten eine Abhängigkeit von mechanischen Kennwerten und Fertigungs-druck. Entsprechend der Erwartungen stiegen die mechanischen Eigenschaften von Flachs-PLA Verbunden konstant mit steigendem Druck an. Die Eigenschaften von Flachs-PLA-ITA Verbunden stiegen nicht linear mit dem Druck an, aber mit jeder Druckerhöhung konnte eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum Ausgangsdruck erreicht werden. Bei Flachs-UP Verbunden konnte ähnliches Verhalten zu Flachs-PLA-ITA Verbunden festgestellt werden, jedoch wurde bei diesem Werkstoff mit Steigendem Druck keine Erhöhung der mechanischen Kennwerte im Vergleich zum Ausgangsdruck beobachtet. Im Vergleich zu einer duromeren und einer thermoplastischen Referenz wurde deutlich, dass das neuentwickelte Matrixsystem vergleichbares Materialverhalten während der Fertigung, wie die verwendete duromere Referenz aufwies.