Forschungsbericht 2010 - 2011 - Hochschule Bremen

PLA-Verbundwerkstoffe
Laufzeit Projektbeteiligte
seit 2008 Graupner, Nina, Dipl.-Ing. (FH)
Projektleiter
Müssig, Jörg, Prof. Dr.-Ing.
Projektbericht
Poly(lactic acid) (PLA) - ein Biopolymer mit Zukunft!
Im Zuge der knapper werdenden Ressourcen und
steigender Erdölpreise werden auch im Werkstoffbereich
Alternativen zu konventionellen, petrochemischen
Kunststoffsystemen für Faserverbundwerkstoffe
gesucht. Ein bereits am Markt verfügbares
Biopolymer, d.h. aus Nachwachsenden Rohstoffen
hergestellt, ist Poly(lactic acid) (PLA). In Kombination
mit Naturfasern oder Celluloseregeneratfasern ergibt
sich ein Verbundwerkstoff, der über gute mechanische
Eigenschaften und eine biologische Abbaubarkeit im
Industriekompost
verfügt. Dennoch
bedarf es einer
gezielten Optimierung
der mechanischen
Kennwerte,
insbesondere der
Schlagzähigkeit,
um cellulosefaserverstärkte
PLA Verbundwerkstoffe
in
großem Maßstab
industriell einzusetzen.
Im Rahmen
der durchgeführten
Forschungsaktivitäten
wurden PLA
Verbundwerkstoffe
im Formpressverfahren
mit Hanf-,
Kenaf, Cotton, Lyocell(Celluloseregeneratfaser)
und
diversen Mischungen
hergestellt.
Während Hanf- und
Kenaffasern und auch eine Mischung aus 50 % Hanf
und 50 % Kenaf zu einer guten Zugfestigkeit und einer
hohen Steifigkeit im Verbundwerkstoff führten, konnten
für die Schlagzähigkeit nur geringe Werte nachgewiesen
werden, die noch unter denjenigen der reinen
Matrix lagen. Im Gegensatz dazu führten Cottonfasern
zu geringeren Zugfestigkeiten und Steifigkeiten, leisten
dabei jedoch bei der Schlagzähigkeit einen erheblichen
Verstärkungseffekt. Der Einsatz von Lyocell
führte zu guten Zug- und Schlageigenschaften. Eine
Mischung von 50 % Hanf- und 50 % Lyocellfasern lieferte
deutlich verbesserte Schlagzähigkeiten, etwa auf
dem Niveau der reinen PLA Matrix, im Vergleich zu
den hanffaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Dabei
wurden die Zugeigenschaften nicht negativ beeinflusst.
Ein weiteres Problem stellen die teilweise mangelnden
Interaktionen zwischen Faser und Matrix dar, die
häufig ein zu frühes Versagen der Verbundstrukturen
herbeiführen. Bei naturfaserverstärkten konventionellen
Polymeren wie Polypropylen wird dieses Problem
in der Regel durch den Einsatz eines Haftvermittlers
behoben. Diese besitzen jedoch keine oder nur geringe
Wirkungen in PLA, zudem sind sie meistens
erdölbasiert und würden den biologischen Charakter
der cellulosefaserverstärkten PLA-Werkstoffe zerstören.
Konventionell erhältliche Hafvermittlersysteme für
PLA sind derzeit noch nicht am Markt verfügbar. Eine
Untersuchung hat gezeigt, dass ein natürliches Additiv
eine ähnliche Wirkung vollbringen kann. Dabei wur-
Bild 1: Bild: Bruchfläche eines PLA/Lyocell-Verbundwerkstoffes
(Graupner, 2009)
den Cotton und Lyocellfasern mit Lignin additiviert und
anschließend als Verstärkungsfasern verwendet. Die
Ergebnisse zeigten, dass eine deutliche Verbesserung
der Zugeigenschaften durch die Zugabe des Lignins
erzielt werden konnte. Die Schlagzähigkeit wurde dabei
etwas verringert, liegt aber dennoch deutlich über
den Kennwerten der reinen PLA Matrix.
Im Rahmen der Untersuchungen konnten einige Zusammenhänge
des Verhaltens der Verbundwerkstoffe
in Abhängigkeit von den Fasereigenschaften charakterisiert
und identifiziert werden. Zudem wurde ein
deutlicher Einfluss der Verarbeitungsparameter auf die
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Fakultät 1
Fakultät 2
Fakultät 3
Fakultät 4
Fakultät 5