Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Herstellungsprozesses für neuartige cellulosebasierte Composite zur Spritzgießverarbeitung (CeCo)

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen cellulosebasierten Thermoplast-Verbundwerkstoffes, welcher durch hohe Faseranteile und exzellente Faser-Matrix-Haftung ein breites Einsatzspektrum für Leichtbau-Spritzgießanwendungen eröffnet. Hierfür sollen Cellulosefasern mittels Reaktiv-Extrusion fibrilliert und gleichzeitig so modifiziert werden, dass ihre Oberflächen thermoplastische Eigenschaften annehmen, die faserartige Basisstruktur aber erhalten bleibt. Durch Compoundierung und Verarbeitung im Spritzgießprozess und umfangreiche Charakterisierung soll das Einsatzpotenzial des Verbundwerkstoffs herausgearbeitet werden.

Lösungsweg

In Phase 1 sind grundsätzliche Erkenntnisse zu Modifizierung, Prozessführung, Werkstoffzusammensetzung und der resultierenden Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Labormaßstab zu erarbeiten. In Phase 2 ist die Reaktiv-Extrusion in einen stabilen und anwendungsorientierten Prozess überführt sowie der Nachweis der anwendungsnahen Verarbeitung und Bauteilfertigung am Beispiel einer Demonstratorstruktur zu erbringen.

Angestrebte Ergebnisse

Als Ergebnis liegt umfangreiches Wissen zu Herstellung, Verarbeitung und Eigenschaften des neuartigen cellulosebasierten Verbundwerkstoffes vor. Dies schließt Werkstoffzusammensetzung, Verarbeitungsparameter, das erreichbare Kennwertspektrum, Demonstratorbauteile, Prozess- und Struktursimulationen sowie die wirtschaftliche und technische Bewertung in Berichtform ein.

Nutzen für KMU

Die KMU der Papier- und Kunststoffindustrie können neuartige naturfaserverstärkte Biopolymere herstellen und verarbeiten und damit Alternativen zu den klassischen petrochemisch basierten Produkten anbieten. Unternehmen des chemischen Anlagen- und Apparatebaus und Hersteller von Maschinen zur Kunststoffverarbeitung werden in die Lage versetzt, zielgerichtet Anlagen und Peripherie zur prozessgerechten Aufbereitung der Rohstoffe und Herstellung der Halbzeuge bereitzustellen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt CeCo wurde ein Herstellungsprozess für cellulosebasierte Composites zur Spritzgießverarbeitung entwickelt. Hierbei wurden Faserstoffe aus Miscanthus in einem zweistufigen Extrusionsprozess aufgeschlossen, modifiziert und zur Verbundherstellung mit Celluloseestern compoundiert. Als Matrices wurden Celluloseacetat (CA) und Celluloseacetatbutyrat (CAB) eingesetzt. Als Referenzmatrices wurden die drop-in Biopolymere Bio-PP und Bio-PE genutzt. Die Untersuchung einer Vielzahl von Varianten mit verschiedenen Fasermodifikationen, Zusammensetzungen und Prozessparametern ermöglichte die Ermittlung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Die werkstoffmechanischen Untersuchungen zeigten, dass die Eigenschaften der Miscathus-Celluloseacetat-Formmassen auf dem Niveau glasfaserverstärkter Polypropylene liegen können. Abschließend wurde am Beispiel einer Demonstratorstruktur gezeigt, dass auch technisch anspruchsvolle Bauteile mit dem neuartigen Werkstoff realisierbar sind. Damit sind die Ziele des Projekts weitgehend erreicht, wobei die erarbeiteten Ergebnisse eine Grundlage für die Umsetzung in den industriellen Maßstab und weitere Forschungsarbeiten bilden.

Die im Projekt erarbeiteten Forschungsergebnisse zur Fasermodifikation, Prozessentwicklung und Eigenschaften der Compounds liefern wichtige Aussagen für Herstellung und Einsatz cellulosebasierter Verbundwerkstoffe mit Faserstoffen verschiedener Modifikationsmethoden. Die zukünftigen Anwendungsgebiete orientieren sich am Eigenschafts- und Einsatzspektrum von glasfaserverstärktem Polypropylen im Automobil, Transport, Verpackung, Möbelbau oder der Landwirtschaft. Die Verfügbarkeit von Halbzeugen aus naturfaserverstärkten Biopolymeren ist hierbei für das verarbeitende Gewerbe und insbesondere für KMU der Kunststoff und Papier verarbeitenden Industrien eine wesentliche Voraussetzung, um Endprodukte aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln und zu vermarkten.