Zellfaserverstärkte Kunststoffe effizient herstellen

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Zellstoff ist ein attraktives Material für den Einsatz in faserverstärkten Kunststoffen, etwa für Leichtbau-Anwendungen. Bisher ist es allerdings nicht möglich, gängige Zellstoff-Lieferformen auf effiziente Weise dafür zu nutzen. Das will das Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in einem neuen Projekt ändern: Gemeinsam mit Partnern soll eine Technologieplattform zur Herstellung hochwertiger Zellstoff-Compounds und deren Weiterverarbeitung zu Formteilen entwickelt werden. 

Faserverstärkte Kunststoffe werden beispielsweise für Instrumententafeln oder Seitenverkleidungen im Auto genutzt. Die thermoplastischen Kunststoffe wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyamid (PA) werden dabei mit Fasern verstärkt, um spezifische Materialeigenschaften zu erzielen. Der Faseranteil am Werkstoff kann bis zu 40 Prozent betragen.

Zellstofffasern wären laut den Forschern dafür gut geeignet: Sie seien ein nachwachsender Rohstoff und günstiger als andere Materialien wie Glas. Zudem hätten Untersuchungen am Fraunhofer PAZ gezeigt, dass sie im Vergleich zu anderen Naturfasern sehr gute mechanische Kennwerte für die Kunststoff-Verstärkung möglich machen: Setze man sehr gut vereinzelte Zellstofffasern mit großer Faserlänge in der Spritzgießcompoundierung ein, seien die entstehenden Materialien genauso belastbar wie Kurzglasfaser-Compounds – bei deutlichen Material- und Kostenvorteilen.

Herausforderung Prozessablauf

Um Zellstofffasern auf diese Weise nutzen zu können, würden sich allerdings große Herausforderungen an den Prozessablauf stellen, erklären die Forscher: Aus gängigen Lieferformaten wie Pappe müssten einzelne Fasern in ausreichender Länge gewonnen werden, die zudem dosierbar und rieselfähig sind, um beim Einbringen in die Kunststoffschmelze den Fasergehalt und die Faserverteilung genau bestimmen zu können. Ein solches Verfahren sei bisher nicht verfügbar.

Das Fraunhofer PAZ möchte genau diese Technologie entwickeln und arbeitet dazu in einem neuen Projekt mit Kurt Seume Spezialmaschinenbau, Ematik, Exipnos und Dornburger Kunststoff-Technik zusammen. Ziel des Projekts, das innerhalb des Programms "Wachstumskern Potenzial" für zwei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, sei die Entwicklung einer Technologieplattform zur effizienten Herstellung hochwertiger Zellstoff-Compounds ausgehend von kommerziell verfügbaren Zellstoff-Lieferformen sowie deren Verarbeitung zu Formteilen mittels konventionellem Spritzguss sowie Spritzgießcompoundierung.

"Durch das Know-how der beteiligten Partner können wir Zellstoff- und Kunststoff-Technologie in einer einzigartigen, durchgehenden Lösung miteinander verbinden. So machen wir Faserzellstoff für die Kunststoff-Verstärkung industriell nutzbar. Denn die Inline-Verarbeitung, ausgehend von Pappe und ohne weitere Zwischenprodukte, die die Eigenschaften verschlechtern und den Preis erhöhen würden, ist die effizienteste Variante der Verarbeitung", sagt Dr. Michael Busch, Leiter des Projekts am Fraunhofer PAZ.

Zum Patent angemeldetes Filterstopfwerk

Schlüssel dabei sei ein am Fraunhofer PAZ entwickeltes und zum Patent angemeldetes Filterstopfwerk: Die Pappe als Ausgangsmaterial werde zunächst gemahlen, sodass einzelne Zellstofffasern in ausreichender Länge entstehen. Diese transportiere man in einem Faser-Luft-Strom ab. Das Filterstopfwerk trenne dann die Fasern von der Luft und befördere sie in den Compoundier-Extruder, wo die Weiterverarbeitung stattfindet.

Projektleiter Busch sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für hochwertige Faserzellstoff-Compounds und Formteile: "Einerseits wird eine signifikante Vereinfachung aufwendiger konstruktiver Lösungen möglich. Andererseits könnte man glasfaserverstärkte Kunststoffe durch zellfaserverstärkte, die günstiger und ökologischer sind, teilweise ersetzen", sagt er. Auch die Fertigung von Masterbatches, bei denen der Faseranteil mehr als 50 Prozent beträgt, strebt das Konsortium an.