Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Einkomponenten-Zelluloseverbundwerkstoffen (PureCell) für den Einsatz im Automotivsektor

Die heute eingesetzten faserverstärkten Kunststoffe sind Werkstoffverbunde aus erdölbasierenden Polymermatrices und Glas-, Carbon- oder Naturfasern, die nicht rezyklierbar sind. Aufgrund steigenden Umweltbewusstseins und Verordnungen ist die Nachfrage nach rezyklierbaren und nachhaltigen Verbundwerkstoffen in den letzten Jahren stark gestiegen. Naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit petrochemischen Matrices werden derzeit vor allem in der automobilen Innenverkleidung eingesetzt. Aufgrund unterschiedlicher Polaritäten ist bei diesen Systemen jedoch die Haftung an der Grenzfläche zwischen hydrophober Polymermatrix und hydrophiler Naturfaser sehr schwach. Das ITCF hat sich mit der Entwicklung einkomponentiger und rezyklierbarer Verbundwerkstoffe aus reiner Cellulose für ein neues Konzept entschieden. Sowohl die Faser als auch die Matrixkomponente bestehen aus Cellulose und nutzen deren hervorragende intrinsische Eigenschaften in Bezug auf die spezifische Festigkeit und Steifigkeit. Die Verbundwerkstoffherstellung erfolgt mit Hilfe der IL-Technologie, die zudem eine Möglichkeit zur vollständigen Rezyklierung der Verbundwerkstoffe bietet.

Mit einem Eigenschaftsprofil ähnlich zu glasfaserverstärkten Kunststoffen ist das Ziel rezyklierbare, biobasierte Werkstoffe für den Automotivesektor zur Verfügung zu stellen. Im Rahmen des geplanten Vorhabens sollen die Herstellung dieses völlig neuartigen Verbundwerkstoffs hochskaliert und die für diesen Anwendungsbereich relevanten Eigenschaften charakterisiert und optimiert werden. Darüber hinaus sollen die Weiterverarbeitungsmöglichkeiten in Bezug auf die spätere Anwendung, wie z.B. Lackieren, Beschichten, Kaschieren sowie die Montageeignung untersucht werden. Zulieferfirmen der Automobilindustrie, meist KMUs, können durch die Herstellung neuer Bauteile dem globalen Wettbewerbsdruck entgegentreten. Die Ergebnisse sind auch in andere Branchen für dort ansässige KMUs transferierbar, z. B. Sport-, Freizeit- und Lifestyle-Produkte.

Ergebniszusammenfassung:

Cellulose stellen mit einer jährlichen Produktion von ca. 700 Milliarden Tonnen das am häufigsten natürlich vorkommenden Biopolymere dar. Ionische Flüssigkeiten (IL) konnten in der Vergangenheit gute Löslichkeitseigenschaften für Biopolymer wie Cellulose, Chitin und Keratin erzielen.

Die Ergebnisse des vorangegangen AiF Projektes sowie die Erfahrung aus F&E Arbeiten bezüglich der IL-Technologie wurden in diesem Projekt genutzt, um eine Matrixlösung herzustellen. Cellulose konnte so als nicht schmelzbares und schwer lösliches Biopolymer in einem rezyklierbaren, nicht toxischen Lösungsmittel vollständig gelöst werden, wodurch eine Cellulose-IL-Lösung erhalten wurde. Die als Verstärkungsfasern eingesetzten cellulosischen Reifencordfasern wurden mit dieser Matrixlösung imprägniert und mittels des Laminier- oder Nasswickelverfahrens zu den PureCell-Verbundwerkstoffe verarbeitet. Die Cellulosekonzentration in der Matrixlösung wurde zwischen 3 und 12 Gew.-% variiert. Die neuartigen Verbundwerkstoffe auf Basis reiner Cellulose sind für den Einsatz im Automotivsektor geeignet. Die PureCell-Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer identischen Ausgangsmaterialien leicht rezyklierbar und besitzen hervorragende Eigenschaften, die im Bereich der Eigenschaften von glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen liegen. Von den neuen Produktionsverfahren profitiert auch die Umwelt: Die Herstellung der Fasern erfolgt in einem umweltfreundlichen Prozess, keine Additive werden benötigt und keine Schadstoffe freigesetzt. Das Lösemittel wird zudem nahezu vollständig zurückgewonnen. Das Projekt lieferte zusätzlich wichtige Erkenntnisse zur Herstellung von Einkomponentenverbundwerkstoffe aus Biopolymeren mit der IL-Technologie. Weitere Anwendungsfelder dieser Verbundwerkstoffe können im Bereich Leichtbau oder im Sport- und Freizeitbereich sein. Um die Verbundwerkstoff weiter für ihren zukünftigen Einsatz zu optimieren, können verschiedene Oberflächenbeschichtungen die Verbundwerkstoffe z.B. vor Umwe