Zur ganzheitlichen Bewertung von Werkstoffen am Beispiel von naturfaserverstärkten und glasfaserverstärkten Kunststoffen

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Louisa Kohl
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1 Zur ganzheitlichen Bewertung von Werkstoffen am Beispiel von naturfaserverstärkten und glasfaserverstärkten Kunststoffen A. Morasch, J. Prievitzer, H. Baier

2 Warum Naturfasern? Spez. mechanische Kennwerte vergleichbar mit Glasfasern Schonung endlicher Ressourcen Verminderung von CO 2 -Emissionen Preis relativ unabhängig vom Erdölpreis Flachs Splittern nicht, brechen ohne scharfe Kanten Hanf Recyclingfähig und FST-geeignet (mit entsprechenden Matrixsystemen) Folie 2

040 ha entspricht etwa der weltweiten Anbaufläche der wichtigsten Faserpflanzen (ohne Baumwolle) Faserpflanze Anbaufläche

3 Anbau von Naturfasern weltweit (FAO, 2011) Konkurrenzsituation Nahrungsmittel Bioenergie Futtermittel stoffliche Nutzung Anbaufläche von Weizen (2009): Weltweit: Deutschland: ha ha entspricht etwa der weltweiten Anbaufläche der wichtigsten Faserpflanzen (ohne Baumwolle) Faserpflanze Anbaufläche (ha) Produktion (t) wichtigste Anbauländer Jute Indien, Bangladesch Flachs EU, China, Russland Hanf EU, China, Russland Folie 3

4 Energiebedarf Hanffaserproduktion Energieinput, um 1 t Fasern herzustellen (Haufe, 2011): Hanffaser: 5 GJ/t 1,95 GJ/t Düngemittel 1,28 GJ/t Maschinen 0,94 GJ/t Faseraufbereitung 0,80 GJ/t Transport Glasfaser: 30 GJ/t Primärenergiebedarf verschiedener Materialien (Haufe, 2011) Folie 4

Energiebedarf und CO 2 -Emissionen bei der Herstellung von Konstruktionswerkstoffen Werkstoff Stahl 1) Aluminium 2) GFK 3) NFK 4) Energiebedarf pro kg bei Herstellung CO 2 - Emissionen bei

5 Energiebedarf und CO 2 -Emissionen bei der Herstellung von Konstruktionswerkstoffen Werkstoff Stahl 1) Aluminium 2) GFK 3) NFK 4) Energiebedarf pro kg bei Herstellung CO 2 - Emissionen bei Herstellung 47.4 MJ MJ 85.3 MJ 52.3 MJ 3.21 kg kg 2.79 kg 1.88 kg 1) Stahlblech (ProBas-Datenbank) 2) Aluminiumblech, Anteil an Sekundäraluminium 30% (EAA, 2008) 3) Spritzgußbauteil, Glasfaser 30wt% und PP (Corbière, 2003) 4) Spritzgußbauteil, Chinaschilf als Verstärkungsfaser 50wt% und PP (Corbière, 2003) Folie 5

6 Zugversuche an NF-verstärktem PP (hier: Jute-Fasern) Folie 6

7 Mechanische Eigenschaften gegenüber Kurzfaser-GFK PP (Lyondell) PP+Jute 25wt% (GreenGran) PP+Jute 50wt% (GreenGran) PP+GF 20wt.% (Twintex) Zug-E-Modul in MPa Biege-E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Biegefestigkeit in MPa (2550) 4400 (4074) 3650 (2992) (2400) 3600 (3333) 3420 (2803) (40) 54 (50) 61 (50) (53) 78 (72) 109 (89) Dichte in kg/m³ In Klammern: Gewichtsspezifische Werte in MPa*m³/kg Folie 7

8 (Mögliche) Anwendungen in der Kabine, z.b. Kabinentrolley Verkleidung Kabinenausrüstung Vorhangschiene Sitzelemente mediaserver.hamburg.de/nordyen Folie 8

9 Moderat beanspruchte Funktionskomponenten Rumpfbauteile (Formvariable) Flügelvorderkante? (DLR) Aktive Rotorhinterkante (ECD) Folie 9

10 Einführung von Metriken Physikalisch-mechanische Metriken als vergleichende Indikatoren Ökologische Metriken: Herstellenergie, Ressourcenbeanspruchung, Wasserverbrauch CO 2 -, NO x -, SO x -Emissionen, Nitrate Acidifizierung, Treibhauspotential, Eutrophierung, Flexible Nutzung landwirtschaftlicher Nutzflächen, Biodiversität, teilweise quantitativ, oft auch qualitativ (z.b. design for environment ) qual. Eigenschaften quantifizieren Folie 10

11 Quant. Metrik für qual. Eigenschaften Zur Quantifizierung zunächst qualitativer Eigenschaften Expertenbefragung Bewertung: Zuordnungstafeln klein, mittel, groß Zusätzliche Bedingungen mittels falls-dann -Logiken Erzeugung von response surfaces möglich Integration von LCA in den Entwurfsprozeß Folie 11

Life-Cycle-Assessment und Produktlebenszyklus Phasen des LCA (DIN ISO 14044) Definition von Zielund Untersuchungsrahmen Datensammlung Auswertung / Schlußfolgerung /

12 Life-Cycle-Assessment und Produktlebenszyklus Phasen des LCA (DIN ISO 14044) Definition von Zielund Untersuchungsrahmen Datensammlung Auswertung / Schlußfolgerung / Empfehlungen Ressourcenförderung Recycling Ressourcenbereitstellung Life-Cycle Produktherstellung Nutzungsphase Wirkungsabschätzung Verwertung/ Deponierung Folie 12

13 Teilaspekt einer LCA: Rohstofftransport bei Glasfaserherstellung Folie 13

14 Schwierigkeiten und Potential von NFK Schwierigkeiten von NFK: Verbesserungen nötig bei: Faserschlichte (Haftung, Feuchteaufnahme, ) Reduktion von Streuungen Datenbanken für Kennwerte Potential der NFK: geringe Emissionen gesteigerte Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen nachwachsender Rohstoff Potential der NFK zeigt sich vor allem bei ganzheitlicher Bewertung Folie 14

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