TechnoFlachs ein wirtschaftlicher Naturfaserrohstoff

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Mathias Fiedler
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1 Sächsischer Faserpflanzenfeldtag 2010 TechnoFlachs ein wirtschaftlicher Naturfaserrohstoff Dr.-Ing. Wolfgang Nendel Technische Universität Chemnitz

2 Agenda 1. Technische Naturfasern Überblick und Eigenschaftscharakteristik Wirtschaftliche Aspekte 2. Stand der Technik bei naturfaserverstärkten Kunststoffen Naturfaser-Pressbauteile Naturfaserspritzguss 3. TechnoFlachs als Rohstoff zur Kunststoffverstärkung Definition und Eigenschaften Lieferformen 4. TechnoFlachs-Halbzeuge zum Formpressen: TechnoFlachs-Matten Spritzgießen: TechnoFlachs-Compounds 5. TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte 6. Zusammenfassung und Ausblick 2

TechnoFlachs als Rohstoff zur Kunststoffverstärkung Definition und Eigenschaften Lieferformen 4.

3 Technische Naturfasern Verfügbare Naturfasern und deren Eigenschaftscharakteristik Naturfasern für die Kunststoffverstärkung Stängelfasern Importprodukt Blattfasern Fruchtfasern Samenfasern Flachs, Hanf, Jute Kenaf, Ramie Sisal, Abaca Kokos Baumwolle Steifigkeit Festigkeit Dehnung 3

Stängelfasern Importprodukt Blattfasern Fruchtfasern Samenfasern

4 Technische Naturfasern Handelsströme für Naturfasern Quelle: Karus at al Naturfasern ein Importprodukt für den Standort Deutschland Globale Abhängigkeit bei der Faserbereitstellung Versorgungssicherheit fraglich 4

2006 Naturfasern ein Importprodukt für den Standort

5 Technische Naturfasern Preisindizes für Naturfasern, Erdöl und Polypropylen (auf Erdölbasis) Erdöl Europäische Flachs- und Hanffasern Polypropylen Copolymer Jute Abaca Kokosfasern Sisal Quelle: nova-institut hohe Preisstabilität bei europäischen Hanf- und Flachsfasern erhebliche Witterungsabhängigkeit des Faserrohstoffs Hauptlieferanten für Flachs- und Hanffasern: Frankreich und Belgien 5

2010 Quelle: nova-institut 2010 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 hohe Preisstabilität bei europäischen Hanf- und

Stand der Technik zu NFK Werkstoffeigenschaften von bastfaserverstärktem PP und WPC im Vergleich zu verstärkten und unverstärkten Thermoplasten Quelle: Karus

6 Stand der Technik zu NFK Werkstoffeigenschaften von bastfaserverstärktem PP und WPC im Vergleich zu verstärkten und unverstärkten Thermoplasten Quelle: Karus at al Quelle: Karus at al Faserqualität bei NFK: Holzmehl und faser Sisalfaser Kokosfaser Flachs- und Hanffaser mittels Faseraufschluss vorbereitet 6

Rohstoff TechnoFlachs Ganzpflanzenrohstoff TechnoFlachs Naturfaserrohstoff, welcher unter Umgehung des Faseraufschlussprozesses aus Flachspflanzen gewonnen wird die natürliche Zusammensetzung aus

7 Rohstoff TechnoFlachs Ganzpflanzenrohstoff TechnoFlachs Naturfaserrohstoff, welcher unter Umgehung des Faseraufschlussprozesses aus Flachspflanzen gewonnen wird die natürliche Zusammensetzung aus Pflanzenfasern und Schäben bleibt bei der Halbzeug- und Bauteilherstellung erhalten TechnoFlachs (Fraktion: 2 und 10 mm) Eigenschaften hervorragende Materialeffizienz im Vergleich zu konventionellen Naturfasern bessere Verarbeitbarkeit als bei reinem Faserstoff/ Faserleinen Gute Verfügbarkeit einheimischer Rohstoff Hohe Liefersicherheit (kein Importprodukt) 7

erhalten TechnoFlachs (Fraktion: 2 und 10 mm) Eigenschaften hervorragende Materialeffizienz im Vergleich zu konventionellen Naturfasern

8 Rohstoff TechnoFlachs Lieferformen Aufbereitung der Fasern Scheibenradhäcksler Trommelmesser-Schneiden Schwingend oszillierendes Messer-Schneiden Großballen - Flachspflanzen TechnoFlachs unterschiedlicher Faserlänge Auswertung mit Messverfahren Fibreshape für Einstellfaserlänge 3 mm 8

Messer-Schneiden Großballen - Flachspflanzen TechnoFlachs

9 TechnoFlachs-Halbzeuge Formpressen Spritzgießen A) konventionelle Verarbeitung TechnoFlachs - Naturfasercompounds TechnoFlachs - Matten B) Injection Moulding Compounder k e i n H a l b z e u g e r f o r d e r l i c h 9

Naturfasercompounds TechnoFlachs - Matten B) Injection

10 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Formpressen Halbzeugeigenschaften Einsatz leichter Abdeckvliesstoffe zur Verminderung des Schäbenverlusts Probleme durch Fremdkörper im TechnoFlachs-Quaderballen Günstige Faserausrichtung im Halbzeug Optimierungspotential bei der Homogenität des Flächengewichts Flächengewichtsschwankungen bei 1200 g/m² Matten von + / -10 bis 15 % reproduzierbar (bedingt Serientauglich) 10

TechnoFlachs-Quaderballen Günstige Faserausrichtung im Halbzeug Optimierungspotential bei der

11 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Formpressen Halbzeugmusterung im Versuchswerkzeug: Türseitenverkleidung des 1er BMW 11

12 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Formpressen 12

-% Faserfraktion/-länge: 1, 2, 5 und 10mm Haftvermittler (MAH): ohne und mit A)

13 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Spritzgießen - Compoundherstellung Granulat-Rezepturen TechnoFlachs, Ölleinstroh Faseranteil: 20 und 40 Gew.-% Faserfraktion/-länge: 1, 2, 5 und 10mm Haftvermittler (MAH): ohne und mit A) Stranggranulierung A) B) B) Unterwassergranulierung (Quelle: TechnoFlachs-Compound 13

(Zentralanguss, Kaltkanal) Prüfung der mechanischen Eigenschaften

14 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Spritzgießen - Prüfkörperfertigung Versuchswerkzeug: Platte 150 x 200 x 4mm, (Zentralanguss, Kaltkanal) Prüfung der mechanischen Eigenschaften unter statischer und dynamischer Belastung Zugversuch (DIN EN ISO 527) Schlagbiegeversuch (ISO 179-2) 14

TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Spritzgießen - Einfluss des Haftvermittlers (MAH) bei TechnoFlachs/PP Fazit Anwendung des Haftvermittlers bei TechnoFlachs-verstärktem Detail: Übergang

15 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Spritzgießen - Einfluss des Haftvermittlers (MAH) bei TechnoFlachs/PP Fazit Anwendung des Haftvermittlers bei TechnoFlachs-verstärktem Detail: Übergang Faser-Matrix mit Haftvermittlereinsatz (Auflichtmikroskop) Kunststoff erhöht die Zugfestigkeit, Dehnung und Schlagzähigkeit der E-Modul ändert sich nur minimal Detail: Übergang Faser-Matrix ohne Haftvermittlereinsatz (Auflichtmikroskop oben; 3D- Profil - links) 15

Haftvermittlereinsatz (Auflichtmikroskop) Kunststoff erhöht die Zugfestigkeit, Dehnung und Schlagzähigkeit der

Endeigenschaften des naturfaserverstärkten Kunststoffes nicht (dies wurde auch bei 20 Gew.

16 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Spritzgießen - Einfluss der Ausgangsfaserlänge 1 mm Fazit 2 mm 99% Die Ausgangslänge von TechnoFlachs im Bereich 1 bis 10 mm 5 mm beeinflusst die Endeigenschaften des naturfaserverstärkten Kunststoffes nicht (dies wurde auch bei 20 Gew.-% Fasern sowie bei PP- 4% -68% 10 mm -85% Matrizen mit unterschiedlichen MFI-Werten festgestellt). 16

17 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte Spritzgießen - Einfluss des Faseranteils Fazit Durch die Erhöhung des Faseranteils können die Steifigkeit und Zugfestigkeit deutlich erhöht werden, während sich die Bruchdehnung und Schlagzähigkeit nur geringfügig ändern. 17

Steifigkeit und Zugfestigkeit deutlich erhöht werden, während

18 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte IMC / Injection Moulding Compounder - Verfahrenstechnik Schmelzezwischenspeicher Entgasung Gravimetrische Dosierung Gleichlaufender Doppelschneckenextruder Schließeinheit Einspritzaggregat Ziele für NFK-Gebiet Geringe Verweilzeit des Materials Vermeidung von Totzeiten / Totstellen in den Fließwegen Minimale Scherbelastung des Materials 18

Doppelschneckenextruder Schließeinheit Einspritzaggregat Ziele für NFK-Gebiet Geringe

19 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte IMC Technologie; Versuche mit verschiedenen Faserarten Strukturbauteil Chemnitzer Haken mit 30 Gew.-% TechnoFlachs 19

-% TechnoFlachs 2 mm IMC zweistufig IMC zweistufig Fazit Die Versuche wurden mit ähnlichen

20 TechnoFlachs: Bauteile und Kennwerte TechnoFlachsverarbeitung kontinuierlich und diskontinuierlich PP/ 40 Gew.-% TechnoFlachs 2 mm PP/ 20 Gew.-% TechnoFlachs 2 mm IMC zweistufig IMC zweistufig Fazit Die Versuche wurden mit ähnlichen Schneckenkonfigurationen und Maschinenparametern durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die so ermittelten Kennwerte sehr ähnlich sind. In Zukunft sind weitere Versuche mit beiden Technologien geplant. 20

21 Zusammenfassung und Ausblick Einfluss unterschiedlicher Faserarten auf die mechanischen Eigenschaften 21

22 Zusammenfassung und Ausblick Verarbeitbare Rohstoffvorlage, allerdings Restriktionen durch Fremdkörper Verarbeitungsfähige Mattenhalbzeuge, jedoch aktuell noch zu hohe Materialverluste bei der Vlieslegung Belastbare Bauteile mit serientauglichen mechanischen Kennwerten und guter kaschierfähiger Bauteiloberfläche, Matrixanteil mit Optimierungspotential Mit TechnoFlachs und Ölleinstroh werden die Kennwerte von Holzmehl und Holzfasern annähernd erreicht Erwartung: minimierte Rohstoffkosten, die heute noch nicht beziffert werden können Injection Moulding Compounder Verfahrenstechnik liefert vergleichbare Ergebnisse wie konventionelle zweistufige Verfahren Weitere Untersuchungen, Optimierungen und Modifizierungen auf allen Verarbeitungsebenen erforderlich 22

23 Sächsischer Faserpflanzenfeldtag 2010 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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