Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung recyclebarer faserverstärkter Kunststoffe durch den Einsatz thermoplastischer Fasern im Doppelschneckenextruder

In vielen mechanisch belasteten Bauteilen, wie bei Bohrmaschinengehäusen oder Frontend-Montageträgern im Automobilebereich, werden faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Diese bieten eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht sowie eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Gleichzeitig erlaubt die massentaugliche Produktion im Spritzgießverfahren eine hohe Designfreiheit. Nachteilig von faserverstärkten Kunststoffen ist jedoch insbesondere die Recyclingfähigkeit. Bei der Verwendung von Kohlenstofffasern kann die Faser über kostenintensive Verfahren entweder solvolytisch oder pyrolytisch wiedergewonnen werden. Diese Verfahren sind beim Recycling von glasfaserverstärkten Thermoplasten nicht wirtschaftlich. Deswegen werden glasfaserverstärkte Kunststoffe als kostengünstiger Füllstoff beispielsweise im Sheet Moulding Compound Bereich oder im Straßenbau eingesetzt. Eine alternative Möglichkeit bieten thermoplastische Fasern, welche die mechanischen Anforderungen im Bereich technischer Bauteile erfüllen können und vielversprechende, wirtschaftliche Recyclingmöglichkeiten aufweisen.

Ziel dieses Vorhabens ist es, Kunststoffe auf Basis von Thermoplastfasern für den Einsatz in technischen Bauteilen mit einem Füllstoffgehalt von über 20 Gew.-% zu befähigen. Hierzu sollen durch systematische Versuche der Herstellungsprozess und die Materialzusammensetzung gezielt auf die Leistungsfähigkeit des Materialverbundes in einem faserschonenden Prozess optimiert werden. Zusätzlich werden der Einfluss der Weiterverarbeitung und die Recyclingfähigkeit der Compounds analysiert. Somit wird die Prozesskette von der Materialentwicklung über die Aufbereitung und Weiterverarbeitung bis zum Recycling berücksichtigt. Von den Ergebnissen profitieren insbesondere Compoundier- und Weiterverarbeitungsbetriebe, die im Wesentlichen klein und mittelständisch geprägt sind und durch den Einsatz recyclebarer faserverstärkter Compounds neue Anwendungsfelder erschließen können

Ergebniszusammenfassung:

Bislang wurden wenige Untersuchungen zur Kurzfaserverstärkung von Polypropylen (PP) mit Thermoplast (TP)-Fasern durchgeführt. Ein Grund hierfür ist der geringe Materialpreis der etablierten Glasfasern bei guter mechanischer Eigenschaftsverbesserung im Kunststoffverbund. Eine thermoplastische Faserverstärkung bietet hier eine vielversprechende Alternative. TP-Fasern sollten aufgrund ihrer geringeren Sprödigkeit im Vergleich zu Glasfasern besser rezyklierbar sein. Daher soll im Vorhaben die Herstellung, Verarbeitung und Rezyklierbarkeit der TP-Faserverstärkung vor dem Hintergrund mehrfacher Verarbeitung geprüft werden. Zusätzlich wurde der Aufbereitungsprozess und der Weiterverarbeitungsprozess bislang nicht analysiert, sodass hier ein großes Potenzial zur Minimierung der Faserschädigung besteht.

In Compoundierversuchen werden zunächst zwei geeignete Faser-Matrix-Kombinationen identifiziert. Anschließend werden optimalen Verarbeitungsparameter für die Compoundherstellung auf dem Doppelschneckenextruder und die Weiterverarbeitung im Spritzgießprozess ermittelt. Die Bewertung der hergestellten Compounds erfolgt anhand von mechanischen Prüfungen, der Betrachtung der Faserverteilung unter dem Mikroskop und der resultierenden Faserlänge. Im letzten Schritt wird die Recyclingfähigkeit der Materialien untersucht.

Die Ergebnisse der mechanischen Prüfungen zeigen, dass die Festigkeit des Grundmaterials kaum erhöht werden kann. Die Steifigkeit und Kerbschlagzähigkeit können jedoch stark erhöht werden. Die Kerbschlagzähigkeit übertrifft mit ca. 47 kJ/m² auch eine Glasfaserverstärkung mit gleichem Gewichtsanteil um ein Vielfaches. Auch nach dem Recycling bzw. mehreren Durchläufen durch den Doppelschneckenextruder können deutlich erhöhte Kerbschlagzähigkeit der Thermoplastfasern im Vergleich zu den Glasfasern erzielt werden. Die Kerbschlagzähigkeit des Rezyklats kann durch eine Zugabe von 50 Gew.-% Neuware im Recyclingprozess von ca. 9 kJ/m² auf 27 kJ/m² angehoben werden.