Systematische Entwicklung von Vliesstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen für den Einsatz im Automobilinnenraum

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1 Systematische Entwicklung von Vliesstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen für den Einsatz im Automobilinnenraum 29. Hofer Vliesstofftage, 05. November 2014 Sangeetha Ramaswamy, Tristan Tiedt, Marcel Scholl, Volker Niebel, Thomas Gries Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen

2 Inhaltsverzeichnis Komposite aus nachwachsenden Rohstoffen Projekt: System4Green Ermittlung des Produktes Umweltanalyse Marktanforderungen Definition alternativer Produkte Produkt- und Prozessverbesserung Benchmarking Fazit und Ausblick Projekt BioSRPC Kontakt Information 2

3 Komposite aus nachwachsenden Rohstoffen (1/2) Textilstoffe in der Automobilindustrie Bis zu 30 kg Textilstoff in einem Auto 2/3 der Textilien finden Anwendung im Automobilinnenraum Gängigsten Fasern Glas, PP, PES, Naturfaser (NF) Meistverwendete Strukturen - Vliese, Gewebe und faserverstärkten Kunststoffe Naturfasern als Verstärkungsfaser in Kunststoffbauteilen hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit geringe Dichte geringe Rohstoffkosten, ökonomisch konkurrenzfähig negative CO 2 Bilanz (Verrottbar) Quelle: Globalhemp 3

4 Komposite aus nachwachsenden Rohstoffen (2/2) Automobilinnenräume aus 96% nachwachsenden Rohstoffen (~ 5 kg / Auto) begrenzt auf Naturfaser-Composites (NFC) Der Anteil an nachwachsenden Rohstoffen in NFC beträgt lediglich 40% Aktuelle Herangehensweise: Ersatz der fossilen Materialien mit nachwachsenden Rohstoffen Kosten- und Ressourcenineffizienz Geringe Leistung der Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen, z.b. aufgrund niedriger NF / PP Matrixkompatibilität Anwendungsbeispiele Aktuelle Forschung beschäftigt sich mit Verbesserung der Faser-Matrixeigenschaften Entwicklung von Demonstratoren Automatisierung des Herstellungsprozesses Es gibt keine Methode mit systematischen Richtlinien für das Ersetzen von fossilen Rohstoffen mit nachwachsenden Rohstoffen Quelle: Audi A8 4

5 Projekt: System4Green (1/2) Ziel: die Entwicklung von nachhaltigen Faserverbundwerkstoffen durch eine Methodik zu systematisieren und zu beschleunigen. Mit dieser Methode werden bestehende Produkte durch bis zu 100 % nachwachsende Rohstoffe ersetzt. die Entwicklungszeiten für die Herstellung von Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen bedeutend reduziert. 5

6 2. Umweltanalyse Projekt: System4Green (2/2) Angestrebte Forschungsergebnisse System4Green Methodik eine verifizierte Methodik für die Auswahl von 1. Ermittlung des Produkts nachwachsenden Rohstoffen für Komposite Produkte aus bis zu 100 % nachwachsenden Rohstoffen und zusätzlich verbesserten Eigenschaften. Benchmarking von alternativen Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen hinsichtlich 4. Definition der alternativen Produkte aus erneurbaren Rohstoffen 5. Produkt- und Prozessverbesserung 6. Benchmarking 3. Marktanforderungen Technische Leistung 7. Gewichtete Analyse zur Auswahl des besten Produktes Kosten 8. Anwendung auf die Industrie LCA 6

7 Ermittlung des Produktes (1/3) Rohstoffe: PES, PP, NF Typische Prozesse: Kardieren Vernadelung Komposite: Heizpressen Verwendete Faserrohstoffe für Vliese im Automobilinnenraum 23% 6% 6% 3% 3% Polyester Polypropylen 9% Hanf Kenaf 9% Flachs 11% 20% Wolle Viskose 11% Polyamid Polyacryl Jute Quelle: Marktstudie ITA,

8 Ermittlung des Produktes (2/2) Rohstoffe: PES, PP, NF Typische Prozesse: Kardieren Vernadelung Komposite: Heizpressen 19% Eingesetzte Naturfasern in Automobilinnenraum 7% 5% 8% 38% 25% Holz Baumwolle Flachs Kenaf Hanf andere (Jute, Sisal, Abaca, etc.) Quelle: Marktstudie ITA,

9 Faserpreis [ /kg] [%], März 2003 = 100 % Ermittlung des Produktes (3/3) Preis 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Rohstoffkosten machen ca. 60% der Gesamtkosten aus Erdöl Europäische Flachs-/Hanffasern Polypropylen Copolymer Jute Sisal Halbzeugkosten Flachs E-Glas Faser [ /kg] 1,8 1,5 *Garn/Roving [ /kg] 11,7-15,1 1,5 *Flächengebilde [ /kg] 42,8-53,5 3,5-7 Vlies [ /kg] 1,8 2,6 Quelle: ITA; Shah, D. U. et al., University of Nottingham; Carus et al, Nova Institut 9

10 Umweltanalyse (1/2) Kumulierter Energieaufwand der Faserherstellung [%] Glas = 100 % Glas Flachs Hanf Kumulierter Energieaufwand für formgepresste Türinnenverkleidung [%] ABS = 100 % ABS Hanf/Epoxid ABS - Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymerisat Quelle: nunn.de; Carus et al, Nova Institut 10

11 Umweltanalyse (2/2) GMT: mit Glasfasermatten verstärkter Thermoplast NFT: mit Naturfasermatten verstärkter Thermoplast Quellenangabe: Haufe et al, Nova Institut, Diener et al, Daimler-Chrysler AG; Vink et al, Nature Works LLC 11

12 Marktanforderungen (1/2) Halbzeug-Anforderungen Prüfmerkmal Norm Sollvorgabe Flächengewicht [g/m2] DIN Feuchte bei Verpackung [%] DIN Feuchtigkeitsgehalt Pressteil [%] DIN Dicke [mm] DIN EN ISO Thermoplast Composite Naturfaser Vlies Produktbeispiel: Türverkleidung Quelle: Isowood GmbH 12

13 Marktanforderungen (2/2) Bauteilanforderungen Türverkleidung Parameter Norm Anforderung Dicke [mm] DIN EN Harzanteil [%] Flächengewicht [g/m 2 ] DIN EN Zugfestigkeit [MPa] EN ISO Biegesteifigkeit [MPa] EN ISO 14125, DIN EN Schlagzähigkeit [kj/m 2 ] EN ISO Wasseraufnahme [%] DIN EN Feuchtigkeitsgehalt [%] DIN Fogging [mg] DIN ,5 VOC-Wert [ppm] VDA FOG-Wert [ppm] VDA Geruchstest VDA 270 Grade 3 Quellenangabe: Marktstudie ITA,

14 Definition alternativer Produkte Definition alternativer Produkte 100 % Biokomposite NF als Verstärkung und PLA als Matrix Produkt- und Prozessverbesserung Prozesskette Prozessoptimierung Entwicklung von Kompositen Umwandlung von PLA Filamenten zu Stapelfasern Mischen von PLA Fasern mit NF Vliesbildung und Verfestigung Art der Vermischung Vernadelungsparameter Compression moulding (Heizpressen) Benchmarking 14

15 Halbzeuge für nachwachsende Komposite Prozess Stapelfaserkonvertierung Airlay Vernadeln + PLA Filamente Naturfasern Produkt Biocomposite PLA Stapelfasern, 38 mm Airlaid flor Vernadelte Vliesstoffe 15

16 Bruchdehnung є [%] spezifische Höchstzugkraft F/ρ [N/(kg{m3)] Produkt- und Prozessverbesserung (1/2) Art der Vermischung Intime Fasermischung (Flockenmischung) Mehrlagenvlies Vernadelung Einstichtiefe Dichte Einspannlänge 200 mm Prüfgeschw. 100 m/min 2 1,6 1,2 0,8 0, Nadeleinstichtiefe s [mm] E P I P I Q M M Intime Fasermischung PR Intime Fasermischung QPR Nadeleinstichtiefe s [mm] Mehrlagenvlies PR Mehrlagenvlies QPR Nadeleinstichtiefe s [mm] 16

17 Bruchdehnung є [%] spezifische Höchstzugkraft F/ρ [N/(kg{m3)] Produkt- und Prozessverbesserung (2/2) Art der Vermischung Intime Fasermischung (Flockenmischung) Mehrlagenvlies Vernadelung Einstichtiefe Dichte deleinstichtiefe s [mm] Einspannlänge 200 mm Prüfgeschw. 100 m/min Intime Fasermischung PR Intime Fasermischung QPR Mehrlagenvlies PR Mehrlagenvlies QPR 2 1,6 1,2 0,8 0, Anzahl an Vernadelungspassagen Anzahl an Vernadelungspassagen 17

18 Höchstzugkraft/ Flächengewicht [N/kg/m²] Benchmarking (1/5) Mechanische Eigenschaften des Vliesstoffs PP mechanische Vliesbildung 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PP Airlay 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PLA Airlay 7,2 dtex 64 mm texturiert 330 MPa PLA Airlay 6,25 dtex 32 mm 350 MPa Faserlänge Flachs: 140 mm Hanf: mm 18

19 E-Modul [GPa] Benchmarking (2/5) Mechanische Eigenschaften der Komposite E-Modul 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 PP mechanische Vliesbildung 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PP Airlay 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PLA Airlay 7,2 dtex 64 mm texturiert 330 MPa PLA Airlay 6,25 dtex 32 mm 350 MPa OEM Vorgabe (Türverkleidung) Faserlänge Flachs: 140 mm Hanf: mm 19

20 Zugfestigkeit [N/mm²] Benchmarking (3/5) Mechanische Eigenschaften der Komposite Zugfestigkeit PP mechanische Vliesbildung 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PP Airlay 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PLA Airlay 7,2 dtex 64 mm texturiert 330 MPa PLA Airlay 6,25 dtex 32 mm 350 MPa OEM Vorgabe (Türverkleidung) Faserlänge Flachs: 140 mm Hanf: mm 20

21 Biegefestigkeit [MPa] Benchmarking (4/5) Mechanische Eigenschaften der Komposite - Biegefestigkeit PP mechanische Vliesbildung 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PP Airlay 7,6 dtex 50 mm 750 MPa PLA Airlay 7,2 dtex 64 mm texturiert 330 MPa PLA Airlay 6,25 dtex 32 mm 350 MPa OEM Vorgabe (Türverkleidung) Faserlänge Flachs: 140 mm Hanf: mm 21

22 Benchmarking (5/5) Mikroskopische Untersuchung der Komposite PLA Matrix Flachs - PLA Flachsfasern Hanffasern Hanf - PLA PP Matrix Flachs - PP Hanf - PP 22

23 Fazit PLA liefert im Vergleich zu PP sehr gute mechanische Eigenschaften PLA bietet die Möglichkeit einen kompletten Verbundwerkstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zu fertigen Durch bessere mechanische Kennwerte im Komposit besteht die Möglichkeit das Bauteil leichter zu gestalten und somit Rohstoffkosten zu reduzieren. Die Wahl der Verstärkungsfaser hat geringen Einfluss auf die Kennwerte des Komposits. 23

24 Ausblick Anforderungen der Automobilindustrie erfüllt? Beständigkeit Dauergebrauch Industrieversuche Herstellung Demonstratoren Herstellung von einem Autositz mit Biowerkstoffen 24

25 Projekt BioSRPC (1/2) BioSRPC Ziel: Nachhaltigkeit und Recyclierbarkeit von Faserverbundwerkstoffen Lösungsansatz: Entwicklung von selbstverstärkten Polymerverbundwerkstoffen aus biobasierten Rohstoffen Entwicklung von textilen Halbzeugen (Rovings, Gewebe, Vliesstoffe) Herstellung von Demonstratoren Koffer Kantinentablett BIO-SRPC WP 1: formulation and yarn extrusion WP2: Blending & Precomposite structures WP3: consolidation & thermoforming WP 4: Recycling & ecological balance WP 5: Dissemination & valorisation potential WP 6: Coordination & management Core WPs Support WPs 25

26 Projekt BioSRPC (2/2) Bezeichnung Polymer Schmelz -punkt [ C] Filament Titer [dtex] Faser länge [mm] Festigkeit [MPa] Dehnung [%] Gehalt [%] Flächengewicht [g /m 2 ] HM PLA 6400 D ,2 70 LM PLA 6302 D , HM PLA Filamente HM PLA Fasern 30 cm Hybrid PLA Airlay Vliese Vernadelte Vliestoffe LM PLA Filamente LM PLA Fasern 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Tristan Tiedt Abteilungsleiter Stapelfaservorbereitung Vliesstofftechnologie Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen Tel.: +49 (0) Foto: Marco Krüger 27