Wood-Plastic-Composites (WPC) -Ein Überblick- Cathrin Funke, Nils Böhm, V. Schöppner

Transkript

1 Wood-Plastic-Composites (WPC) -Ein Überblick- Cathrin Funke, Nils Böhm, V. Schöppner

2 Gliederung Wood-Plastic-Composites Aufbereitungsverfahren Welche Materialeigenschaften machen WPC interessant? Marktübersicht und Anwendungen Zukunft des WPCs 2

3 WPC Definition Definition von WPC Thermoplastisch verarbeitbare Verbundwerkstoffe, die aus unterschiedlichen Anteilen von Holz, Kunststoffen und Additiven hergestellt werden. Verarbeitet werden sie durch thermoplastische Formgebungsverfahren, wie Extrusion, Spritzgießen, Rotationsguss oder mittels Presstechniken, aber auch im Thermoformverfahren. Source: Clariant Produkte (Deutschland) GmbH 3

4 Bestandteile des WPCs -Thermoplast- Kunststoffe Einsatz von Kunststoffen mit einer Verarbeitungstemperatur von unter 200 C Eingesetzte Kunststoffe: PP, PE, PS, PVC Nordamerika verwendet vor allem PE Asien verwendet oft PVC Europa verwendet hauptsächlich PP Anteil verschiedener Polymere bei der Produktion von WPC 4

5 Verarbeitungsverfahren Extrusion Bis zu 90% Holzanteil verarbeitbar Kontinuierliches Verfahren mit bar Herstellung von linearen 3D-Produkten: Konstruktive Elemente Fensterprofile, Decking-Profile, etc. Spritzgießen Bis max. 60% Holzanteil verarbeitbar Diskontinuierliches Verfahren mit 1000bar Herstellung von komplexen 3D-Formteilen: Kleiderbügel, Blumentöpfe, etc. Kleinteile, Griffe Thermoformen, Rotationsguss 5

6 Warum WPC? Was macht Wood-Plastic-Composites und andere Naturfaserverstärkte Kunststoffe so interessant? hohes technisches Substitutionspotenzial zunehmende Preisattraktivität ökologische Vorteile hohe Versorgungssicherheit (Rohstoffe) hohes Wachstumspotenzial potentieller Wettbewerbsvorteil 6

7 Vorteile des WPCs Was macht das hohe Substitutionspotential von WPC aus? Höhere Steifigkeit und Zugfestigkeit Reduzierte Wärmedehnung Reduzierte Kriechneigung Gute Dämpfungseigenschaften Geringe Schwindung Niedrige Verarbeitungstemperatur Geringer Energiebedarf Geringe Zykluszeit Substitution für Kunststoff Witterungsbeständigkeit Einfache Formgebung und Einfärbung Substitution für Holz Holznahe Haptik und Optik Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis Hoher Anteil an nachwachsenden Rohstoffen, weniger erdölabhängig 7

8 Verstärkungsfasern Quelle: NOVA Institut 8

9 Mechanische Eigenschaften im Vergleich -1- Quelle: NOVA Institut 9

10 Mechanische Eigenschaften im Vergleich -2- Quelle: NOVA Institut 10

11 Thermische Eigenschaften im Vergleich WPC zeigt sehr gutes Schwindungsverhalten Vorteile WPC: nahezu Isotrope Schwindung Quelle: NOVA Institut 11

12 Nachteile des WPCs Kostenintensivere Herstellung als Span- und Faserplatten (ca % höhere Kosten) Nur geringe Holzfeuchten verarbeitbar bzw. aufwändige Trocknung nötig (Entgasungssysteme) Geringere Festigkeiten als Vollholz oder Leimbinder Junge Werkstoffgruppe noch nicht alle Materialeigenschaften erforscht Fehlendes technisches Know-How Geringes Wissen um der Möglichkeiten Schädigung der Fasern bzw. Späne während des Prozesses möglich Vorteil wie auch Nachteil: Hohe Variantenvielfalt durch Rezeptur 12

13 Mögliche Anwendungsgebiete Elektrische Bauteile Gehäuse Büromaterial Verpackungen und Behälter Paletten Deckings Verkleidungen Fensterrahmen 13

14 Marktübersicht -1- Allein die deutsche Automobilindustrie setzt pro Jahr bereits t Bauteile mit Natur- und Holzfasern ein. In der neuen Mercedes-S-Klasse werden 27 Bauteile mit einem Gesamtgewicht von 43kg unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe (darunter auch WPC!) hergestellt - das sind 73% mehr als in der alten S-Klasse. In den USA wächst die WPC- Produktion seit Anfang der 90er Jahre bis heute jährlich mit zweistelligen Zuwachsraten. WPC sortieren sich entsprechend ihrer mechanischen Eigenschaften in das Preisgefüge ein Quelle: NOVA Institut 14

15 Marktübersicht -2- Die wichtigsten Verfahren und Anwendungen für WPC Deutschland Branche/ Bodenbeläge Automobil Möbel Konsumgüter Verfahren Extrusion Spritzguss Form- und Fließpressen aktuelle Marktbedeutung Markttrend Anmerkungen/ Vorteile Endkundenmarkt neue Produkte ++: sehr wichtig bzw. sehr groß/steigend +: wichtig bzw. groß/steigend 0: weniger wichtig bzw. klein Industriemarkt Preis Endkundenmarkt neue Produkte Endkundenmarkt andere Haptik & Optik Quelle: Karus & Müssig 2006 (aktuaisiert) 15

16 Anwendungsgebiete Außenbereich: Fassadenverkleidungen Terrassenböden Lärmschutzwände Quelle: Werzalit Quelle: NOVA Insitut 16

17 Anwendungsgebiete Innenbereich: Möbel Schränke Gestelle für Sessel, Sofa, etc. Fußböden Quelle: IKEA Quelle: Werzalit 17

18 Anwendungsgebiete -weitere Beispiele- Kosmetikbranche Verkleidungen Haushaltswaren Sonstiges 18

19 Zusammenfassung und Zukunftsaussichten Neuer Holz-Werkstoff mit großen Wachstumschancen Besonders geeignet für spezielle Anwendungen durch einfache Formgebung individuelle Anpassung an die Anforderungen durch Zugabe von Additiven Werkstoff mit hoher Dimensionsstabilität Absatzentwicklung begünstigt durch geringere Erdölabhängigkeit Marktschätzung für 2015: t Compound Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen und viele Verfahren sind in der Automobilindustrie und in anderen Bereichen schon Stand der Technik Substitutionspotential ist vorhanden, WPC ist allerdings nicht für jede Anwendung geeignet! 19

20 Werkzeugfüllung beim Spritzgießen (Cathrin Schröder, Elmar Moritzer) 20

21 Rheologische Eigenschaften der Füllstoffgehalt hat einen wesentlichen Einfluss auf das Fließverhalten der Schmelze > die Viskosität steigt und die Elastizität des Materials sinkt mit höherem Holzanteil die Wechselwirkung von Polymer, Holzfasern und Additiven führt zu einem komplexen rheologischen Materialverhalten = zwei Faktoren, die einen signifikanten Einfluss auf das Fließverhalten von WPC haben: > Wandgleiten und Scherströmung

22 Rheologische Eigenschaften reine Polymerschmelze füllt den Hohlraum, durch eine Quellströmung Quellströmung Fließfront Eingefrorene Randschicht stark gefüllte Polymere - wie WPC - haben eine reduzierte Schmelzelastizität wegen ihrer hohen Schmelzviskosität > Quellströmung entwickelt sich oft nicht

23 Experimentelle Untersuchungen Füllstudien mit unterschiedlichen Formteilgeometrien Darstellung des gesamten Füllvorgangs in einem Werkzeug mit Glaseinsatz verschiedene Prozessparameter: Zylindertemperatur T Zylinder Werkzeugtemperatur T Wand Einspritzgeschwindigkeit v Ein Material: PP-basiertes WPC mit verschiedenen Holzgehalten (30, 45 und 60 Gew-%) Einsatz von Biokunststoffen Kunststoff- Institut Lüdenscheid Nils Böhm 1 Einleitung WPC 2 Rheologische Eigenschaften 3 Untersuchungen 4 Zusammenfassung und Ausblick

24 Füllstudie Plattengeometrie Glaseinsatz 30% Holzgehalt

25 Füllstudie Plattengeometrie Glaseinsatz 45% Holzgehalt

26 Füllstudie Plattengeometrie Glaseinsatz 60% Holzgehalt

27 Füllstudie Plattengeometrie zwei Kavitäten Bestimmung der Materialeigenschaften

28 Füllstudie Plattengeometrie zwei Kavitäten 30% Holzanteil Simulation: Quellströmung Untersuchungsergebnisse: Quellströmung, unregelmäßige Schmelzefront

29 Füllstudie Plattengeometrie zwei Kavitäten 45% Holzanteil Simulation: Quellströmung Untersuchungsergebnisse: Finger-Effekt, Schmelzefrontbruch

30 Zusammenfassung und Ausblick unvorhersehbar Stagnation Finger Effekt weitere Füllstudien sind geplant, um verallgemeinerte Gestaltungsrichtlinien für konstruktive Gestaltung von Werkzeugen für WPC geben zu können es gibt gute Aussichten, dass diese Phänomene durch konstruktive Maßnahmen und Materialrezepturanpassung verhindert werden können

31 31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.