Wood Plastic Composites

Allgemeines

Im Sinne einer nachhaltigen Ressourcennutzung steht unter anderem der Ersatz von fossilen Rohstoffen durch nachwachsende Rohstoffe im Vordergrund von Forschung und Entwicklung. Unter diesem Gesichtspunkt wurde im Bereich der Kunststofftechnik in den letzten Jahren die Werkstoffklasse Wood Plastic Composites (WPC) entwickelt. Dabei handelt es sich um Holzfaserverbundwerkstoffe (WPC), welche aus thermoplastisch verarbeitbaren Polymeren und aus lignozellulosehaltigen Teilchen (z.B. Holz, verholzten Pflanzen mit einem Anteil von über 90%) bestehen.

In den letzten Jahren gewann dieser Werkstoff immer mehr an Bedeutung und Akzeptanz. Die verschiedensten Forschungsprojekte setzten es sich zum Ziel, die Entwicklung in diesem Bereich voran zu treiben.

Neben dem Vorteil der Verfügbarkeit und des Preises der zur Herstellung benötigten Holzpartikel steht auch der Aspekt der Nachhaltigkeit - „Kunststoff wird durch Holz ersetzt“ - im Vordergrund der Forschung und des vermehrten Einsatzes von Holzfaserverbundwerkstoffen.

Darüber hinaus wurde gezeigt, dass durch die Verwendung verschiedener Holzfasern und unterschiedlicher Rezepturen die Eigenschaften des Materials gesteuert werden können, wodurch wiederum ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten geschaffen werden konnte.

Der Markt für naturfaserverstärkte Kunststoffe hat sich in den letzten 25 Jahren stark verändert und zeichnet sich durch Zuwachsraten von über 25% aus. Um das Marktpotenzial von WPCs weiterhin zu steigern gilt es die positiven Eigenschaften des Werkstoffes zu nutzen und an der Weiterentwicklung der Verarbeitung sowie der Einsatzmöglichkeiten zu arbeiten.

Durch den Einsatz von Holz als Verstärkungsfasern in thermoplastische Kunststoffe können große Mengen an erdölbasierenden Kunststoffen eingespart werden. Durch die verschiedenen Projekte zum Thema „Wood Plastic Composites“, welche im Rahmen der Programmlinie „Fabrik der Zukunft“ finanziell unterstützt wurden, konnten durch österreichische Firmen und Forschungseinrichtungen nun einerseits technologische Probleme gelöst und andererseits systematische Struktur-Eigenschaftsuntersuchungen für diese neue Werkstoffgruppe durchgeführt werden. Dadurch konnte Österreich seine weltweite Spitzenposition in diesem Bereich weiter ausbauen.

(Dr. Wolfgang Stadlbauer, Upper Austrian Research GmbH – Transfercenter für Kunststofftechnik)

Die Herausforderungen

Die verschiedenen Forschungsbestreben im Rahmen des „Fabrik der Zukunft“ Programms setzten es sich zum Ziel, Holzfaserverbundwerkstoffe und ihre Anwendungen weiter zu entwickeln und zu optimieren.

Die Herausforderung können grob in 2 Bereiche gegliedert werden:

Einerseits in die Weiterentwicklung des Materials selbst, vor allem durch die Erhöhung des Holzanteils auf über 90% und die Optimierung der damit entstehenden Materialeigenschaften und andererseits in die technische Anschlussfähigkeit des Verbundwerkstoffes, wobei die technischen und ökonomischen Rahmenbedingungen der Industrie erfüllt werden sollen. Erst mit Hilfe der passenden Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren kann eine breite Anwendung und damit gesteigerte Nachfrage durch die Industrie gewährleistet werden.

Durch die Optimierung der Materialeigenschaften sowie der dazugehörigen Technologien und das perfekte Zusammenspiel der beiden Bereiche kann die Wirtschaftlichkeit - nicht nur in Hinblick auf das günstige Ausgangsmaterial, sondern auch hinsichtlich der Weiterverarbeitung und Verwendung - erhöht werden.

Ausgehend von einer Analyse des aktuellen Zustandes bezüglich Markt, Produkte, Verfahrenstechnik, Patentsituation, Rezeptur und Holzspäne wurden die wichtigen technologischen Fragen wie bspw. Holzspänedosierung, Kompaktierung im Extruder, Optimierung der Werkzeuggeometrie und der Nachfolgeeinrichtungen von den Industriepartnern in separaten Projekten bearbeitet.

Erzielte Ergebnisse im Rahmen der Fabrik der Zukunft Projektreihen

Das Material und seine Eigenschaften

In den Bereich „Material“ fallen Projekte, welche die Eigenschaften der Wood Plastic Composites näher beleuchtet und verschiedene Aktivitäten, die zur Modifikation der Materialeigenschaften unternommen werden.

Durch den gesteigerten Holzanteil (bis zu 90%) des Werkstoffes überwiegen die Eigenschaften von Holz, wie beispielsweise eine verstärkte Wasseraufnahme durch den Celluloseanteil.

Durch die Aufnahme von Wasser in den Verbund können sich die Dimensionsstabilität sowie die Beständigkeit gegenüber biologischem Befall (Pilzbefall) verändern. Im Rahmen der Projekte Modifizierung von Holzspänen für höherwertige Holz/Kunststoff-Verbundwerkstoffe und Wasseraufnahme von Wood-Plastic-Composites wurden die Mechanismen der Wasseraufnahme und des Wassertransportes in WPCs untersucht, mit dem Ziel verschiedene Lösungsansätze zur Verringerung und Unterbindung der Wasseraufnahme zu liefern. So konnten Methoden zur Modifizierung des Holzes entwickelt werden und damit ein wesentliches breiteres Anwendungsfeld für WPCs erschlossen werden.

Eine weitere Schwierigkeit stellt die mit steigendem Holzanteil sinkende Schlagzähigkeit dar. Aus diesem Grund geht teilweise der Trend neuer WPC - Anwendungen wieder in Richtung sinkenden Holzanteils, um anspruchsvolle Produkte mit ausreichender Zähigkeit zu schaffen.

Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung sollte es aber Ziel sein, die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe und somit den Holzanteil so groß wie möglich zu halten. Die dabei nötige Steigerung der Funktionalität des Holzes im Verbund ist durch den Einsatz von langen Holzfasern, so genannten Refinerfasern möglich. Im Rahmen des „Fabrik der Zukunft“ Projektes Wood Plastic Composites - Neues Eigenschaftsprofil durch Refinerfasern wurden in Zusammenarbeit mit Maschinenherstellern, WPC Produzenten und Forschungseinrichtungen neue wirtschaftliche Technologien, sowohl für die Extrusion als auch für den aufstrebenden Markt des WPC - Spritzgusses untersucht, um den Einsatz von Refinerfasern als Verstärkungsfasern zu ermöglichen und zu verbessern. Im Rahmen dieses Projektes konnten somit die Eigenschaft des Verbundmaterials durch den Einsatz von Refinerfasern positiv beeinflusst werden, sowie ein neues Verfahren zur Förderung und Dosierung dieser Fasern entwickelt werden. Darüber hinaus sind schon erste Versuche mit Hanf- oder Flachsfasern als Verstärkungsfasern im Laufen, um die Materialeigenschaften längerfristig für nachfolgende Anwendungen zu optimieren und so die Wettbewerbsfähigkeit von Naturfasercomposites gegenüber Glasfasern zu stärken.

Die Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse

Wie bereits erwähnt gilt es aber nicht nur die Materialeigenschaften ausreichend zu testen und durch unterschiedliche Verfahren zu optimieren, sondern auch passende Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren für WPCs zu entwickeln.

Die bisher eingesetzten Prozess- bzw. Werkzeugtechnologien zur Erzeugung von Profilen sind bei einem höheren Holzanteil meist nicht mehr geeignet. Mit den bestehenden Verfahren können keine ausreichenden Profilqualitäten erreicht werden. Darüber hinaus sind die geringen Ausstoßleistungen nicht wirtschaftlich. Um die Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit des neuen Verbundmaterials mit hohem Holzanteil zu verbessern, war es Ziel mehrerer Forschungsprojekte die Technologien für WPCs zu verbessern. In diesem Zusammenhang gelang es eine Technologie neu zu entwickeln, die die Direktdosierung der Holzspäne - mit der Möglichkeit weitere Komponenten beizumischen - ermöglichte.

WPCs werden üblicherweise mittels Extrusion verarbeitet – Extrusion ist ein kontinuierliches Verfahren zur Erzeugung von Profilen und Granulat, wobei die Materialien durch einen Düse gepresst werden. Im Rahmen des Projektes Wood Plastic Composites - Entwicklung einer Holzspänedirektdosierung wurde eine Vorrichtung entwickelt, mit der Holzfasern bzw. Holzspäne aus der Holz- oder Spanplattenindustrie direkt im Extruder verarbeitet werden können. Diese Entwicklung führt zu einer höheren Wirtschaftlichkeit durch niedrige Rohstoffkosten und einer besseren Produktqualität.

Ziel eines weiteren Projektes Wood Plastic Composites - Entwicklung eines Extrusionswerkzeuges war es, die für den neuen Verbundwerkstoff notwendige Werkzeugtechnik weiter zu entwickeln. So wurde ein faserschonendes Düsenkonzept entwickelt, mit dem Bindenahtfehler vermieden werden können und Ausstoßleistungen von mehreren Metern pro Minute möglich sind. Der Holzanteil konnte auf bis zu 90% erhöht werden und die neue Technologie ermöglicht eine direkte Vermischung (direkt im Extruder) der Holzfasern mit anderen Komponenten wie Farbstoffen oder Additiva. Neben der Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Holzextrusion könnten auch optimierte Rezepturen für die Holz-Verbundstoffe definiert werden. Mit Hilfe der neuen Rezepturen und der vereinfachten Verarbeitung konnten wiederum die Materialeigenschaften (E-Modul, Schlagfestigkeit und Reißdehnung) verbessert werden und so eine deutliche Qualitätssteigerung der erzeugten Profile erreicht werden.

Bis dato wurden WPCs mit hohem Holzanteil vorwiegend mittels Extrusion verarbeitet, während Spritzguss Verfahren kaum eingesetzt werden. Die Anwendung im Spritzguss ist aber beispielsweise hinsichtlich der Produktgeometrie, Designfreiheit und Verarbeitung des Materials von Vorteil. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit und der breiten Anwendbarkeit von WPCs besteht somit großes Interesse WPCs „Spritzguss-Tauglich“ zu machen. Um einen Anwendung im Spritzguss zu ermöglichen müssen einerseits passenden Rezepturen definiert werden und andererseits die passenden Verfahren entwickelt bzw. optimiert werden.

Im Zuge des Projektes Neue Wertschöpfung aus Wood Plastic Composites durch Einsatzmöglichkeiten für Spritzgussanwendungen wurde das nötige Basiswissen für zukünftige Spritzgussanwendungen geschaffen. Wie bereits erwähnt, bestimmt die Rezeptur der WPCS die mechanischen und optischen Eigenschaften, sowie die Verarbeitungsfähigkeit – es ist somit notwendig die Zusammenhänge zwischen Rezeptur und Eigenschaften zu bestimmen, um das Material für die Anwendung im Spritzgussverfahren zu optimieren. Im Rahmen dieses Projektes wurden mögliche Rezepturen definiert und aufgezeigt, dass der Einsatz von WPCs für komplexe Spritzguss-anwendungen möglich ist. Durch die Erschließung eines neuen Marktsegmentes (die Anwendung von WPCs im Spritzguss) konnte so die Wirtschaftlichkeit bzw. das Markpotenzial dieses neuen Verbundwerkstoffes weiter gesteigert werden und wiederum ein Schritt in Richtung einer nachhaltigen Zukunft gesetzt werden.

Zusammenfassung der Ergebnisse

• optimierte Rezepturen für die neuen Holz-Verbundstoffe
• systematische Eigenschaftsmatrices der neuen Werkstoffe
• neue Verarbeitungstechnologie, um Späne direkt in den Extruder zu dosieren
• adaptierte und optimierte Verarbeitungs- und Werkzeugtechnologie
• deutlich erhöhte Profilqualität durch die neu entwickelten Werkzeuge
• Entwicklung passender Rezepturen für Spritzgussanwendungen
• erste Ergebnisse von WPCs welche mittels Spritzgussverfahren hergestellt wurden
• erhöhte Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses durch die entsprechend entwickelten Werkzeuge und Dosiervorrichtungen
• technologisches und werkstoffliches Basiswissen für die Herstellung von marktfähigen Produkten

Abschließend gilt es festzuhalten dass WPCs für verschiedenste Bereiche und Anwendungen einsetzbar sind überall dort zum Einsatz kommen sollten, wo das Material die vom Hersteller und Endanwender geforderten Eigenschaften erbringen kann.

Die Projekte im Rahmen von "Fabrik der Zukunft"

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