Naturstoff-gebundene Faser-Compounds

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Motivation

Faserverbundwerkstoffe, wie sie heute als Platten- oder Formteile erhältlich sind, bestehen zu einem nicht unerheblichen Anteil aus synthetischen Rohstoffen. Üblicherweise wird eine synthetische, thermoplastische Stützfaser als Bindemittel verwendet. Nur durch den Einsatz von Bindemitteln und Klebstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen können die Vorteile des Vlieswerkstoffs (aus Naturfasern) und der daraus gefertigten Produkte in vollem Umfang erhalten werden, insbesondere deren biologische Abbaubarkeit. Die Entwicklung von natürlichen Bindemittel-Faser-Compounds ist daher einer der wichtigsten "Missing Links" einer konsequent nachhaltigen Produktion.

Zielsetzung

Als viel versprechende Einsatzgebiete für einen derartigen Werkstoff wurden Zwischenwandsysteme und Pressformteile (z.B. für Verpackungen) identifiziert. Für diese Anwendungsbereiche sollten Prototypen entwickelt und getestet werden.

Die wichtigsten Fragestellungen in diesem Projekt lauteten:

• Wie sieht die optimale Rohstoffzusammensetzung für den Faserverbundwerkstoff (Klebstoffe, Fasern) im Hinblick auf die geplanten Einsatzgebiete aus, und welche Aufbereitungsschritte sind für die Fasern erforderlich?
• Welche Prozessparameter erlauben eine Vliesherstellung in gleich bleibender, hoher Qualität?
• Wie lassen sich die Nutzungsanforderungen für Wandpaneele mit dem Faservlies realisieren (technische Eigenschaften, Oberflächen, etc.)?
• Welche Verpackungsformteile lassen sich aus dem Faservlies herstellen, und wie müssen sie gestaltet sein?
• Halten die entwickelten Prototypen beider Produktlinien den Anforderungen der Praxis stand und entsprechen sie den rechtlichen Vorschriften?

Inhalte

Die Entwicklung von natürlichen Bindemittel-Faser-Compounds

Als Faserrohstoffe für die Vliesentwicklung wurden Flachskämmlinge bzw. Flachsfasern, die auch in der Automobilindustrie für Faserverbundwerkstoffe eingesetzt werden, sowie Strohfasern verwendet. Stroh ist als landwirtschaftliches Nebenprodukt billig und in großen Mengen verfügbar. Es bedarf jedoch einer mechanischen Aufbereitung, um die Strohfasern für den Vlieslegeprozess zu konditionieren. Durch das Verwenden von Flachsfasern konnten die wesentlich schwereren Strohspäne in ein Vlies eingebunden werden. Neben den Faserrohstoffen wurden geeignete Bindemittel gesucht, um dem Vlies die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu verleihen. Biopolymere, insbesondere PLA und PHB in pulvriger Form und faserförmig, sowie Stärke wurden auf ihre Eignung hin untersucht. Diese Bindemittel ersetzten die thermoplastische Stützfaser fossilen Ursprunges, die heute als Stand der Technik zum Einsatz kommt.

Auswahl der geeigneten Verarbeitungsverfahren

Mit den ausgewählten Bindemitteln und Fasern wurden im Labormaßstab Versuche durchgeführt und verschiedene Techniken zum Einbringen des Bindemittels in die Faserstruktur getestet.

Mittels des Vlieslegeverfahrens und unter Einsatz von PLA-Fasern wurden die besten Ergebnisse hinsichtlich Festigkeit bei geringem spezifischen Gewicht erzielt. Der Vorteil besteht darin, dass Vliese geringer und hoher Rohdichten gleichermaßen hergestellt werden können, die als Ausgangsprodukt sowohl für Verpackungsformteile als auch für Zwischenwandelemente geeignet sind. Es konnten auch erste Muster erstellt werden, die eine ähnliche Dichte und Festigkeit wie jene von Spanplatten aufweisen.

Im Mischverfahren verarbeitete Strohspäne und stärkebasierte Bindemittel ergaben nach ihrer Verpressung sehr leichte und formstabile Platten. Die Grenzen des Verfahrens zeigten sich bei steigenden Plattendicken bzw. größeren Abmessungen.

Die besten Ergebnisse wurden beim Vlieslegeverfahren mit der PLA-Faser als Bindemittel erzielt. Daher wurde die Prototypenentwicklung mit diesem Material fortgesetzt.

Ergebnisse

Zwischenwände

Aus den Naturfaservliesen wurden unter Einsatz diskontinuierlicher Pressen Platten mit unterschiedlicher Dichte hergestellt. Damit wurde ein mehrschichtiger Aufbau der Zwischenwände realisiert, um die Anforderungen des geringen Transportgewichts und der mechanischen Festigkeit zu erfüllen. Ein Beplanken auf der Baustelle erübrigt sich, da die Wand aus einem Element besteht.

Darüber hinaus konnten verschiedene Oberflächenbehandlungen demonstriert werden, wodurch der Einbau ohne nachträgliche Arbeiten auf der Baustelle durchgeführt werden kann. Den Anforderungen an die Schalldämmung wurde durch einen "quasi-mehrschaligen" Aufbau entsprochen, der dadurch erreicht wurde, dass die äußeren Schichten des Faser-Compounds härter und dichter ausgeführt sind als der relativ weiche Kern.

Für eine Behandlung mit Putzen sind biegesteife Vliese und geschlossene Oberflächen, die durch entsprechende Verdichtung und Temperatur in der Heizpresse erzielt werden können, Vorraussetzung. Neben diesen Verfahren bieten sich auch Kaschierungen des Materials an, die während des Pressvorganges ohne zusätzliche Bindemittel aufgebracht werden können, wodurch sich eine Vielzahl an Gestaltungsmöglichkeiten ergibt. Die Anforderungen hinsichtlich Brandschutz und Schallschutz konnten erfüllt werden.

Verpackungsformteile

Verpackungsformteile sind mit dem Vlies zwar herstellbar, aber als Startprodukt aufgrund der geringen Wertschöpfung nicht optimal. Darüber hinaus gibt es in diesem Segment zahlreiche Konkurrenzprodukte und -materialien. Jedoch können mit der gleichen Technologie weitaus höherwertige Anwendungen realisiert werden, wie die praktischen Versuche und Überprüfungen gezeigt haben. Für höherwertige Formteile spricht neben der erzielbaren Wertschöpfung auch der mögliche Imagegewinn.

Lässt man den zweiten, aufwändigeren Produktionsschritt (Formpressen) beiseite, so ergeben sich dafür konkurrenzfähige Einsatzbereiche für Verpackungen. Das Faservlies eignet sich hervorragend als schützende und gleichzeitig dekorative Verpackung und hat auch aufgrund der einfachen Verarbeitung realistische Chancen sich am Markt durchzusetzen. Hier kommen die stoßdämpfenden Eigenschaften zur Geltung, die für Verpackungen von zerbrechlichen Gütern wichtig sind.

Projektleiter

GrAT - Gruppe zur Förderung der Angepassten Technologie
Dr. Robert Wimmer

Team Gruppe Angepasste Technologie:
Mag. (FH) Rudolf Bintinger, Dr. Manfred Drack

Projekt- und Kooperationspartner

• WK Naturfaser Technologie GmbH & Co KG
  Dkfm. Wolfgang Karner, Josef Riedl
• Trennwandsysteme Scheicher, Alois Scheicher GmbH
  Rudolf Michael Scheicher
• Zuckerforschung Tulln GmbH
  Dr. Martin Kozich, Dr. Karl-Jürgen Mann, Dr. Marnik Michel Wastyn
• Höfer Ges.m.b.H & Co.KG.
  Wolfgang G. Höfer, Robert Hamedinger
• FEX ÖKO-Faserverarbeitungs-GmbH
  Ing. Johann Payerl
• Verpackungszentrum Graz
  Helmut Meininger, Bettin Reichl
• FH Salzburg, Studiengang Design & Produktmanagement
  Mag. Günther Grall, Dr. Bernhard Rothbucher
• PE Design, Delft
  DI Paul Eilbracht
• Spezialmaschinen Dr. Otto Angleitner Ges.m.b.H & Co.KG.
  DI Helmut Angleitner
• FH Salzburg, Holzwerkstoffe, DI Dr. Olaf Treusch
• R+S Technik GmbH, Ernst Spengler, Dirk Fischer
• SFK Tischler GmbH, Gerhard Spitzbart
• TU Wien, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, Nichtmetallische Werkstoffe, DI Dr. Vasiliki-Maria Archodoulaki
• TU Wien, Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz, DI Dr. Heinrich Bruckner
• Technoboard Engineering GmbH, Werner Lokaj

GrAT - Gruppe zur Förderung der Angepassten Technologie
Dr. Robert Wimmer
Wiedner Haupstraße 8-10, 1040 Wien
Tel.: +43 1 58801 49523
Fax: +43 1 58801 49533
E-Mail: rw@grat.at