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BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

PLA-Verbundwerkstoffe

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 (Cellulose-Regeneratfaser) 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.



Bild 1: Bild: Bruchfläche eines PLA/Lyocell-Verbundwerkstoffes (Graupner, 2009)

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 wurden 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 Qualität der resultierenden Verbundwerkstoffe nachgewiesen. Dennoch sind weitere Forschungsarbeiten zur Optimierung und Abstimmung der Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen notwendig um Verbundwerkstoffe auch für höher beanspruchte Bauteile, z.B. in Konstruktionswerkstoffen, herstellen zu können.

 

Projektziele

  • Gestaltung gradierter Grenzschichten nach dem Vorbild natürlicher Strukturen
  • Positiv begutachtetes Forschungsprojekt: Entwicklung eines hochwertigen Polymilchsäure-Naturfasercompounds zur Anwendung im Spritzgussverfahren (PLA-NF). Geplante Förderung über die AIF, in Zusammenarbeit mit Fraunhofer UMSICHT (Oberhausen).

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Jörg Müssig (Leitung), Nina Graupner

Veröffentlichungen

  • Graupner, N. / Herrmann, A. S. / Müssig, J. 2009: Natural and Man-made Cellulose Fibre Reinforced Poly(lactic acid) (PLA) Composites: An Overview about Mechanical Characteristics and Application Areas. Composites: Part A, Vol. 40, (ISSN: 1359-835X) pp. 810-821, doi:10.1016/j.compositesa.2009.04.003
  • Graupner, N. / Müssig, J. 2009: Man-made Cellulose Fibres as Reinforcement for Poly(lactic acid) (PLA) Composites. Journal of Biobased Materials and Bioenergy. .– accepted for publication
  • Graupner, N. / Müssig, J. 2009: Man-made Cellulose Fibres as Reinforcement for Poly(lactic acid) (PLA) Composites. In: Second International Conference on Innovative Natural Fibre Composites for Industrial Applications; Sapienza Università di Roma, Faculty of Engineering, Rome, Italy, (15.-18.04.2009)
    Graupner, N. / Müssig, J. 2009: Press moulded hemp fibre reinforced PLA composites -influence of fibre mixture and processing technique. In: EIHA (Organizer & Editor): 6th International Conference of the European Industrial Hemp Association (EIHA) (Rheinforum, Wesseling May 27th-28th, 2009), Hürth: nova-Institut GmbH, 2009, 24 pages .— Manual
  • Van den Oever, M. / Müssig, J. / Beck, B. 2008: Processing window of Natural fibre-PLA composites. In: Arbeitsgemeinschaft Verstärkte Kunststoffe - Technische Vereinigung e.V. (AVK-TV)(Hrsg. und Veranst.): 6. N-FibreBase Kongress: Naturfaserverstärkte Kunststoffe - im Rahmen der AVK Tagung / Composites Europe (11. Internationale AVK-TV Tagung) (Essen 2008–09–22 bis 2008–09–23) Frankfurt/Main: AVK-TV, 2008, Vortrag C7, 10 Seiten .– Tagungshandbuch / Manual
  • Graupner, N. (2009): Improvement of the Mechanical Properties of Biodegradable Hemp Fibre Reinforced Poly(lactic acid) (PLA) Composites by the Admixture of Man-made Cellulose Fibres. Journal of Composite Materials, Vol. 43 (6), pp. 689-702, doi:10.1177/0021998308100688

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