Untersuchungen zum Einsatz von Naturfasern in Phenolharzmatrix Kompositen

Transkript

1 Untersuchungen zum Einsatz von Naturfasern in Phenolharzmatrix Kompositen Eschner, M.; Fritzlar, B.; Schleifscheibenfabrik Rottluff / Chemnitz Schnabel, H.-D.; Sedner, A.; Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) 1 Einführung und Motivation Die im folgenden dargestellten Ergebnisse entstanden im Rahmen eines gemeinschaftlichen Forschungsprojektes zwischen der Schleifscheibenfabrik Rottluff und der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) mit finanzieller Unterstützung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt. Die Schleifscheibenfabrik Rottluff GmbH ist ein mittelständiges Unternehmen mit 145 Mitarbeitern und fast 100 jähriger Erfahrung in der Schleifscheibenherstellung. Bei der Produktion von kunstharzgebundenen Schleifscheiben wird als Bindung Phenolharz eingesetzt. Ausgehärtetes Phenolharz ist ein fester, aber sehr spröder Kunststoff. Bereits geringe Seitenkräfte können zum Bruch der Scheibe und damit bei den hohen Drehzahlen der Trennschleifscheiben zu explosionsartigem Zerstören führen. Aus sicherheitstechnischen Gründen werden deshalb phenolharzgebundene Schleifscheiben mit Glasfasergewebe armiert. Dabei ist die hohe Zugfestigkeit von Glasfasern nicht in jedem Fall notwendig. Die bei herkömmlichen Schleif und Trennscheiben verwendeten Glasfaserverstärkungen besitzen im Grundzustand Zugfestigkeiten etwa 3000 MPa. Bei der Herstellung der Scheiben, speziell beim Pressen, können die Glasfasern bis zu 90 % zerstört werden, ohne die Sicherheit der Scheiben zu gefährden. Naturfasergewebe wird im Vergleich zu Glasfaser beim Pressen nicht beschädigt, so dass die geringere Festigkeiten der Naturfasern ausreichend sind. Eine zu erwartende geringe thermische Schädigung der Naturfasern während des Härtevorganges muss bei der Dimensionierung berücksichtigt werden. Ziel der Untersuchungen war, bei einem konkreten, rotierenden Schleifkörper das Glasfasergewebe durch Leinengewebe ohne Verringerung der sicherheitsrelevanten Größen zu ersetzen. Gleichzeitig sollte durch Zugabe einer natürlichen Kurzfaser die Widerstandsfähigkeit der Scheibe gegen seitliche Belastung erhöht werden. Obwohl durch die sehr gute Benetzbarkeit der Naturfaser durch Phenolharz dieser Verbund zu den ältesten Kunststoff Faser Verbunden zählt, ist die Herstellung ausgehärteter Phenolharze mit kraftschlüssigen eingebundenen Fasern mit einer Reihe von Schwierigkeiten behaftet. Das Grundproblem liegt hierbei in der Faser Matrix Haftung, wobei unterschiedliche Schrumpfungen der Fasern durch Wasserabgabe beim Aushärten eine wesentliche Rolle spielen. Naturfasern haben gegenüber Glasfasern viele Vorteile aber auch einige Nachteile. Der wichtigste Vorteil ist ihr natürlicher Aufbau aus Cellulose. Bei dem Schleifprozess werden dadurch keine staubförmigen mineralischen Partikel freigesetzt, wie das bei Glasfasern geschieht. Weitere Eigenschaften sind in Tabelle 1 dargestellt.

2 Vorteile gute Umweltverträglichkeit neutrale CO 2 Bilanz recyclebar einfache Handhabung geringe Dichte gute mechanische Eigenschaften hohe Verfügbarkeit Papierkaschierung möglich Nachteile schlechte thermische Beständigkeit Wasseraufnahme relativ geringe Festigkeiten Inhomogener Aufbau der Fasern Anfällig für Mikroorganismen unterschiedliche Qualitäten Tabelle 1: Vor und Nachteile von Naturfasern 2 Experimentelle Arbeiten 2.1 Naturfasergewebe als Ersatz für Glasfaser Um den technologischen Aufwand auf ein Minimum zu beschränken, wurden zuerst unbehandeltes Naturfasergewebe eingesetzt. Nach ersten Versuchen wurde festgestellt, das die Vorbehandlung des Naturfasergewebes unumgänglich ist. Durch Behandlung mit einem Harz wird das Gewebe stabilisiert. Eine weitere Notwendigkeit der Harzbehandlung stellt der thermische Schutz der Gewebefasern dar, da die Schleifscheiben bei der Härtung mehrere Stunden einer Temperatur von 185 C ausgesetzt sind. Oberhalb 160 C nimmt der schädigende Einfluss auf die Gewebefasern mit steigender Temperatur und Haltezeit signifikant zu. Ursache hierfür ist die Abspaltung von Hydroxylgruppen [1, 2]. Zur Herstellung der Ronden wird das Leinengewebe mit einer verdünnten Harzlösung behandelt und getrocknet. Danach können die Ronden ausgestanzt und zur weiteren Verarbeitung bereit gestellt werden. Bild 1: herkömmliche Glasfaserronde Bild 2: mit Harz behandelte Ronden aus Leinengewebe Bild 1 zeigt eine herkömmliche Glasfaser Ronde wie sie serienmäßig bei der Herstellung von Trenn- und Schleifscheiben verwendet wird. Das gitterförmige Glasfasergewebe ist ebenfalls mit einem Harz imprägniert um die Formstabilität zu gewährleisten. Bild 2 zeigt zwei Ronden aus unterschiedlichen Leinengewebe. Deutlich zu Erkennen ist der geringere Abstand der einzelnen Fäden zueinander.

3 2.2 Einsatz von Naturkurzfasern in Schleifscheiben Zur Bezeichnung Kurzfasern zum Einsatz in Kunststoff Verbunden sind in der Literatur sehr unterschiedliche Angaben zur Faserlänge zu finden. Der Längenbereich liegt dabei zwischen 100 µm und 5 cm, letztere wurden als lange Kurzfasern bezeichnet. In [3] werden Kurzglasfasern für die Verstärkung von Kunststoffen einem Längenbereich von 0,1 0,5 mm zugeordnet, wobei ein Länge/Durchmesser-Verhältnis > 10 gegeben sein muss. Naturkurzfasern lassen sich durch Phenolharze gut benetzen. Durch Härtungsreaktionen und thermische Schrumpfungen treten Probleme bei der Faser Matrix Haftung auf, dass sich speziell beim Einsatz von Naturkurzfasern in harz bemerkbar macht. Dadurch kann die gegenüber der Harzmatrix viel höhere Festigkeit der Fasern nicht ausgenutzt werden. harz (Phenol Formaldehyd) kann Bindungen zu Lignocellulose Verstärkungsfasern aufbauen. Wegen der hohen Polarität des Harzes geht man davon aus, dass sich Wasserstoffbrückenbindungen zu den Hydroxylgruppen der Cellulose ausbilden. Es können starke Dipol Dipol sowie Van der Waals Kräfte ausgebildet werden, wodurch es zu chemischen Reaktionen zwischen Faser und Matrix kommt [4]. Um diese Reaktionen zu ermöglichen, ist eine Reinigung der Kurzfasern notwendig. Mit einer 5 %igen Natronlauge können Pflanzenwachs und andere anhaftende Substanzen gut entfernt werden. Der hydrophile Charakter der Cellulose der in Ausgangszustand für die gute Benetzbarkeit mit dem harz verantwortlich ist, hat aber auch einen entscheidenden Nachteil. Das bei der Aushärtung des harzes entstehende Wasser lagert sich aufgrund der geringen Grenzflächenenergie der Fasern an die OH Gruppen der Cellulose an. Während des Aushärtevorgangs vernetzt das Harz und es wird fest. Das an die Cellulose gebundene Wasser wird jetzt infolge höherer Temperatur (185 C) wieder abgegeben und die Faser schrumpft. Das hat zur Folge, dass die Faser wieder aus der Harzmatrix herausgerissen wird und so die Festigkeit sinkt. Mit verschieden Verfahren wird zur Zeit versucht die OH Gruppen der Cellulose durch andere Restgruppen (Acetyl, Benzyl o.ä.) zu substituieren um so die Fasern vor der Wasseraufnahme zu schützen. Bild 3: Rasterelektronische Aufnahme einer Hanffaser in einer harzmatrix Bild 4: REM Aufnahme einer vorbehandelten Hanffaser Bild 3 zeigt eine unbehandelte Hanffaser in einer ausgehärteten harzmatrix. Deutlich zu erkennen sind die Abdrücke der Faser in der Matrix. Daraus ist zu schließen, das die Faser gut eingebunden war und erst durch das Schrumpfen wieder abgetrennt wurde. Bild 4 zeigt eine vorbehandelte Hanffaser, die gut in der harzmatrix eingebunden ist.

4 Da die Herstellung von realen Probescheiben mit hohen Kosten verbunden ist, werden Voruntersuchungen immer an modellierten Probestäben durchgeführt. Dabei handelt es sich um gepresste Probekörper mit einer Abmessung von 3 x 9 x 65 mm. Als Naturkurzfasern kamen Hanf, Jute und Sisal mit einer Faserlänge von 0,5 1 mm zum Einsatz. Die Härtung der Stäbe erfolgte in einem programmierbaren Laborofen (Muffelofen) L3/S27 von Nabertherm nach einem speziellen Heizprogramm mit Rampen und Haltezeiten, wie sie auch in der Schleifscheibenproduktion angewendet werden. Zur Ermittlung der mechanischen Kennwerte Biegefestigkeit und E Modul der hergestellten Probekörper wird die Vierpunkt- Biegung in Anlehnung an DIN EN ISO und DIN EN ISO 178 angewendet. Die Bruchflächen der Stäbe werden im Rasterelektronenmikroskop untersucht, um so Erkenntnisse über Faser Matrix Haftung zu erhalten. 3 Ergebnisse 3.1 Naturfasergewebe Unter Variation von Faserart, Webtechnik und Harzsorte wurden zahlreiche Scheibenserien im technologischem Prozess hergestellt. Alle Trenn und Schleifscheiben müssen einer Sicherheitsprüfung unterzogen werden. Als wichtigste Sicherheitseigenschaft ist hier die Berstfestigkeit zu nennen. So muss z. B. eine Trennscheibe Ø 180 mm eine Umlaufdrehzahl von min -1 erreichen, obwohl die maximal zulässige Arbeitsgeschwindigkeit bei 8488 liegt. Ebenso muss die Seitenstabilität gewährleistet sein. Messergebnisse werden zur Zeit ermittelt. Bild 5: Bruchstück einer Trennscheibe Bild 6: Ausschnitt einer Trennscheibe Bild 5 zeigt ein Bruchstück einer Trennscheibe (stereomikroskopische Aufnahme) nach dem Bersttest. Deutlich ist das zerrissene Gewebe zu erkennen, was auf eine gute Einbindung in die Harz Schleifmittelmischung schließen lässt. In Bild 6 ist ebenfalls eine optisch gute Einbindung des Leinengewebes in die Matrix erkennbar. Bild 7 zeigt eine 180 mm Trennscheibe nach einem Schleiftest. Das Gewebe wird durch das Trennschleifen nicht wesentlich beschädigt, da es gut in die harz Schleifmittelmischung eingepresst ist. Bild 7: 180 mm Trennscheibe nach Schleiftest

5 18000 Berstdrehzahl min Probenseriennummer Diagramm 1: Übersicht erreichter Berstdrehzahlen von 180 mm Trennscheiben Im Diagramm 1 sind die Mittelwerte der Berstdrehzahlen einzelnen Probenserien dargestellt. Bei der ersten Probenreihe (blau) wurden in erster Linie Variationen des Gewebes untersucht. Bei der zweiten Versuchsreihe (ocker) sind Harzsorte und Konzentration optimiert worden. Die dritte Probenreihe (grün) stellt das Ergebnis einer Versuchsreihe dar, wo die Vorteile der vorangegangenen Serien kombiniert wurden. 3.2 Naturkurzfasereinsatz Einbindung von Naturkurzfasern in reines Durch den Einsatz von Naturkurzfasern in reines harz konnte die Festigkeit nicht gesteigert werden. Es kam in Gegenteil zum Absinken der Festigkeit auf ca. 40 %. Als Ursache hierfür wurde eine fehlende bzw. stark eingeschränkte Faser Matrix Haftung bei allen werkstofflich untersuchten Kompositen festgestellt. Biegefestigkeit MPa KF 1 KF 2 KF 3 KF 4 KF 5 KF 6 KF 1: benzylierte Hanffasern KF 2: benzylierte Holzfasern KF 3: Hanffasern KF 4: Jutefasern KF 5: Sisalfasern KF 6: beschichtete Hanffasern Diagramm 2: Biegefestigkeiten (spezifisch) verschiedener Kurzfasern in reinem harz In der Schleifmittelmischung verläuft der Aushärtprozess etwas anders als in reinem. Durch die hohe Porosität kann bei der Aushärtreaktion entstehendes Wasser gut abgeleitet werden und das Harz kann vollständig durchhärten. Das Problem der Wasseraufnahme durch die Faser besteht aber auch hier. Inwieweit das durch weitere Faservorbehandlungen vermindert werden kann muss noch genauer untersucht werden. Ein Teil der Auswertung bereits durchgeführter Versuche steht noch aus.

6 4 Zusammenfassung Gegenstand vorliegender Arbeit waren Untersuchungen zum Austausch von Glasfasergewebe durch Leinengewebe in Schleifscheiben. Gleichzeitig sollte durch Zugabe einer natürlichen Kurzfaser die Widerstandsfähigkeit der Scheibe gegen seitliche Belastungen erhöht werden. Ergebnisse dieser Untersuchungen: - Festigkeit der eingesetzten Armierungsmaterialien wird erreicht. - Der Kompositverbund Harzmatrix-Naturfasergewebe wird als gut eingeschätzt. - Die mechanische Stabilität des Naturfasergewebes wird durch Herstellungstechnologie stark beeinflusst. - Schleif und Trennversuche zeigten ein normales Verschleißverhalten ohne Überhitzung und Kontamination des zu bearbeitenden Materials. - Einsatz von Naturkurzfasern bringt ohne Oberflächenbehandlung keinen Vorteil, unbehandelte Kurzfasern wirken schwächend. - Die Vorbehandlung mit oberflächenaktiven Stoffen zeigt positive Ergebnisse, muss jedoch noch weiter untersucht werden. 5 Literatur [1] Bledzki, A.; Gassan, J.: Natural Fiber Reinforced Plastics, in Handbook of Engineering Polymeric Materials (Ed. NP Cheremisinoff), New York Basel Hong Kong, 1998, S [2] Georg, J.: Bhagawan, S. S.; Thomas, S.: Thermogravimetric and Dynamic Mechanical Analysis of Pineapple Fibre Reinforced Polyethylene Composites, Journal of Thermal Analysis, Vol. 47, 1996, S [3] Ehrenstein, G.W.: Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften, Carl Hanser Verlag München Wien, 1992 [4] Zarate,C. N.; Aranguren, M. I.; Reboredo, M. M.: Vegetable Fibres Composites. Journal of Applied Polymer Science 77 (2000), S Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für die Unterstützung bei diesem Projekt.