Verbundwerkstoff aus Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid 6 H. Korte (V), Dr. Hans Korte Innovationsberatung Holz & Fasern, Wismar ; A. Krause, Universität Hamburg; M. Funk, Georg-August-Universität Göttingen
Überblick Einordnung in Verbundwerkstoffe Was sind Hochausbeuteholzkohlen Herstellung von Hochausbeuteholzkohlen Thermostabilitäten von Fichten und Buchenholzkohlen Fazit Thermostabilitäten Herstellung der Verbundwerkstoffe und Prüfkörper Produkteigenschaften mit pyrolysierter Buche und Fichte mit Holzkohle und Additiven im Vergleich mit mineralischen Füllstoffen im Vergleich mit Holz-Polymer-Verbundwerkstoffen Fazit
Einordnung in Verbundwerkstoffe Ein Verbundwerkstoff oder Kompositwerkstoff ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, der andere Werkstoffeigenschaften besitzt als seine einzelnen Komponenten. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung*. Der Verbundwerkstoff aus Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid 6 gehört zu: Faser- bzw. Partikelverbundwerkstoffen naturfaser- bzw. -partikelverstärkter Kunststoffverbunden naturfaser- bzw. partikelverstärkte Thermoplasten, wie z.b. Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (Wood-Plastic Composite, WPC) *modifiziert nach: https://de.wikipedia.org/wiki/verbundwerkstoff, Zugrif
Was sind Hochausbeuteholzkohlen Hochausbeuteholzkohlen sind Holzkohlen, die durch Pyrolyse bei relativ niedrigen Temperaturen, die im Bereich von 240 bis 300 C liegen, hergestellt werden, wobei die autothermale exotherme Holzkohlereaktion vermieden bzw. unterdrückt wird. Die Holzkohlereaktion beginnt unter Sauerstoffabschluss bei ca. 275 C und erhitzt das Produkt bis auf ca. 400 C, wobei ein Großteil flüchtiger Produkte ausgetrieben wird. Die Massenausbeute liegt bei ca. 35%. Bei Hochausbeutekohlen liegt die Masseausbeute bei ca. 70%. Durch die Verkohlung wird die Lignicellulose hydrophobiert und gegenüber Temperaturbelastung stabilisiert. Im Vergleich zu nicht pyrolysiertem Holz nehmen Hochausbeuteholzkohlen (fast) keine Feuchtigkeit auf und sind bei Temperaturen > 200 C ohne Geruchsproblematik zu verarbeiten, wodurch technische Thermoplaste wie Polyamide als Matrixmaterialien zugänglich werden.
Herstellung von Hochausbeuteholzkohlen Als Rohstoff wurden selbst hergestellte Fichtenspäne (F) und Buchenspäne (B) sowie kommerzielle Fichtenspäne (C) in einem Horizontaltrockner mit 1,5 C/min bis zur Zieltemperatur aufgeheizt und dann auf den Zieltemperaturen bei 200 C, 230 C und 260 C für 0 h, 1 h bzw. 3 h gehalten. 200 C 230 C 260 C 0 Stunden B1 / F1 B2 / F2 B3 / F3 / C3 1 Stunde B4 / F4 B5 / F5 B6 / F6 / C6 3 Stunden B7 / F7 B8 / F8 B9 / F9 / C9 B0 / F0 = unbehandelt Indikator für die Thermostabilität ist der Masseverlust der Proben bei erneutem Aufheizen bis auf 260 C (TGA mit N 2 ). Aufheizgeschwindigkeit: in 12 min auf 260 C 20 min Temperatur halten bei 260 C
Thermostabilität der Buchenvarianten 260 C
Thermostabilität der Fichtenvarianten 260 C
Fazit Thermostabilität Mit zunehmender Behandlungsintensität (Zeit und Temperaturhöhe) nimmt die Thermostabilität der behandelten Hölzer zu. Die höchste Thermostabilität wird bei 260 C erhalten Es werden keine Unterschiede zwischen einer Behandlungsdauer von 1 h und 3 h gefunden Die Unterschiede zwischen Fichtenholz und Buchenholz sind bei intensiver Behandlung (hohe Temperatur, lange Verweilzeit) gering Die Unterschiede durch Partikelgrößen zwischen selbst hergestellten und kommerziell bezogenen Spänen sind gering.
Herstellung der Verbundwerkstoffe Die Bestandteile Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid 6 sowie Additive, wie z.b. Haftvermittler und/oder Schlagzähmodifikatoren wurden auf einem parallelen, gleichlaufenden Doppelschneckenextruder (Leistriz ZSE 27) compoundiert. Alle Komponenten wurden am Haupteinzug dosiert. Die Entgasung erfolgte an einer atmosphärischen und einer Vakuumentgasung. Die Compounds wurden anschließend auf einer Spritzgussmaschine nach EN ISO 527 zu Prüfkörpern gespritzt. Die Prüfkörper wurden frisch (trocken) mechanisch nach EN ISO 178, 527, 179, auf Biege- Zug- und Schlagbiegefestigkeit sowie auf ihr Wasseraufnahme- (EN ISO 62) und Quellverhalten geprüft.
Produkteigenschaften mit pyrolysierter Fichte und Buche (trocken geprüft) Physik.-mechanische Eigenschaften Einheit Zug-E-Modul [N/mm 2 ] Biege-E-Modul [N/mm 2 ] Zugfestigkeit [N/mm 2 ] Biegefestigkeit [N/mm 2 ] Charpy-Schlagzähigkeit [kj/m 2 ] PA6 100% C6 30% C3 50% B3 30% B6 30% X 2764 4430 5610 4279 4078 σ 261 42 120 40 137 X 1839 3408 5252 3622 3441 σ 66 58 85 56 55 X 64,0 48,5 69,6 39,9 35,8 σ 3,8 5,9 1,8 2,4 2,8 X 64,4 99,3 121 98,3 92,9 σ 1,6 2,1 1,4 4,0 3,9 X 10,3 15,3 7,1 7,9 σ 1,2 3,2 1,2 1,5 X 7,8 1,5 1,8 1,3 1,3 Charpy-Kerbschlagzähigkeit [kj/m 2 ] σ 0,22 0,3 0,2 0,1 0,1 Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 3,40 5,65 3,81 3,3
Produkteigenschaften mit Holzkohle und Additiven (trocken geprüft) Physik.-mechanische Eigenschaften Einheit PA6 100% BK 30% BK 30% +A1 10% BK = kommerzielle BioKohle A1 = Mit Maleinsäureanhydrid funktionalisiertes Ethylenbutylacrylat-Copolymer A2 = Mit Maleinsäureanhydrid funktionalisiertes Polystyrol BK 30% +A2 10% X 2764 5142 3354 4798 Zug-E-Modul [N/mm 2 ] σ 261 56 49 72 X 1839 5140 2902 4155 Biege-E-Modul [N/mm 2 ] σ 66 38 45 34 X 64,0 43,5 40,1 47,9 Zugfestigkeit [N/mm 2 ] σ 3,8 5,2 3,1 1,9 X 64,4 72,8 71,3 83,7 Biegefestigkeit [N/mm 2 ] σ 1,6 3,5 1,5 4,5 Charpy-Schlagzähigkeit [kj/m 2 ] X 5,1 19,7 7,3 σ 2,2 4,2 0,95 Charpy-Kerbschlagzähigkeit [kj/m 2 ] X 7,8 1,6 2,8 1,1 σ 0,22 0,1 0,16 0,3 Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 2,37 2,62 2,23
Vergleich mit mineralischen Füllstoffen (trocken geprüft) Physik.-mechanische Einheit PA6 C6 G-Faser G-Kugel Wollast. Eigenschaften 100% 30% 30% 30% 30% (berechnete) Dichte [g/cm³] 1,14 1,22 1,58 1,58 1,67 Dichtezunahme [%] 0 7 38 38 46 Zug-E-Modul [N/mm 2 ] X 2764 4430 7.018 4.127 4.823 σ 261 42 98 84 47 Biege-E-Modul [N/mm 2 ] X 1839 3408 6748 3976 4581 σ 66 58 116 26 76 Zugfestigkeit [N/mm 2 ] X 64,0 48,5 114,75 71,91 62,01 σ 3,8 5,9 5,34 0,34 0,58 Biegefestigkeit [N/mm 2 ] X 64,4 99,3 193,4 118,8 110,6 σ 1,6 2,1 3,78 0,42 1,17 Charpy-Schlagz. [kj/m 2 ] X 10,3 78,27 69,89 40,22 σ 1,2 7,68 4,60 1,79 Charpy-Kerbschlagz. [kj/m 2 ] X 7,8 1,5 5,89 3,25 3,06 σ 0,22 0,3 0,55 0,33 0,07 Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 3,40 3,53 4,45 3,79
Vergleich mit WPC (trocken geprüft) Physik.-mechanische Eigenschaften Einheit PA6 100% C6 30% PP MFI 20 *WPC W 50% PP MFI 0,3 Baranyai F., Korte H. 2013: Comparison of 13 different compounding technologies for WPC Technical results; 5 th German WPC Conference 10. 11. Decembre 2013 Maritim Hotel, Cologne *WPC W 70% (berechnete) Dichte [g/cm³] 1,14 1,22 0,91 1,18 0,91 1,29 Dichtezunahme [%] 0 7 0 27 0 38 X 2764 4430 1500 4600 1300 5700 Zug-E-Modul [N/mm 2 ] σ 261 42 100 200 100 150 X 1839 3408 1100 4100 1250 5800 Biege-E-Modul [N/mm 2 ] σ 66 58 50 100 30 400 X 64,0 48,5 26,5 34,5 28 30 Zugfestigkeit [N/mm 2 ] σ 3,8 5,9 0,5 2 0,3 1,5 X 64,4 99,3 37 59,5 57 Biegefestigkeit [N/mm 2 ] σ 1,6 2,1 0,5 1 4 Charpy-Schlagz. [kj/m 2 ] X 10,3 10,0 6,5 σ 1,2 0,4 0,3 Charpy-Kerbschlagz. [kj/m 2 ] X 7,8 1,5 2,0 5,0 5,8 4,3 σ 0,22 0,3 0,2 0,6 1,0 0,6 Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 3,40 0 9 0 15,5
Fazit Hochausbeutekohlen können mit technischen Polymeren wie PA 6 compoundiert und verarbeitet werden, ohne thermisch abgebaut zu werden (kein Rauch, kein Brandgeruch, keine Farbverdunkelung ) Im Vergleich zu WPC sind deutlich höhere Festigkeiten erreichbar Im Vergleich zu WPC sind deutlich geringere Wasseraufnahmen möglich Bei Compounds mit PA 6 und 30% Füllstoff werden im Vergleich zu anorganischen Füllstoffen die Festigkeiten nur annähernd erreicht. Die Dichtezunahme ist mit 7% deutlich geringer als bei anorganischen Füllstoffen mit 38 46%.
Danksagung Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) der Bundesrepublik Deutschland für die Förderung im Programm ZIM beim Projektträger AIF unter dem Förderkennzeichen KF 2454607GZ2 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit