Zellstoff-verstärkte Kunststoffe

Vom Zellstoff zum Formteil

Neue Technologie für faserverstärkte Kunststoffe. Zellstoff ist ein attraktives Material für den Einsatz in faserverstärkten Kunststoffen, etwa für Leichtbau-Anwendung oder als Material für Transportbehälter und Paletten.

Erstes Muster des neu entwickelten Filterstopfwerks. (Bild: Fraunhofer PAZ)

Bisher ist es allerdings nicht möglich, gängige Zellstoff-Lieferformen effizient dafür zu nutzen. Das will das Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in einem neuen Projekt ändern: Gemeinsam mit Partnern wird eine Technologieplattform zur Herstellung hochwertiger Zellstoff-Compounds und deren Weiterverarbeitung zu Formteilen entwickelt.

Faserverstärkte Kunststoffe werden branchen- und anwendungsübergreifend eingesetzt. Designfreiheit und Leichtbau sind wichtige Stichworte. Die Faseranteile in thermoplastischen Kunststoffen wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Polyamid (PA) liegen typischerweise bei bis zu 40 Prozent, in einigen Fällen auch darüber.

Zellstofffasern können eine Alternative zu Glas oder anderen Werkstoffen bilden: Sie sind ein nachwachsender Rohstoff und günstiger als andere Materialien wie Glas. Zudem haben Untersuchungen am Fraunhofer PAZ gezeigt, dass sie im Vergleich zu anderen Naturfasern sehr gute mechanische Kennwerte der Kunststoffe ermöglichen: Setze man sehr gut vereinzelte Zellstofffasern mit großer Faserlänge in der Spritzgießcompoundierung ein, seien die entstehenden Materialien genauso belastbar wie Kurzglasfaser-Compounds – bei erheblichen Kostenvorteilen.

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Um Zellstofffasern auf diese Weise nutzen zu können, stellen sich allerdings große Herausforderungen an den Prozessablauf: Aus gängigen Lieferformaten wie Pappe müssen einzelne Fasern in ausreichender Länge gewonnen werden, die zudem dosierbar und rieselfähig sind, um beim Einbringen in die Kunststoffschmelze den Fasergehalt und die Faserverteilung genau bestimmen zu können. Ein solches Verfahren ist bisher nicht verfügbar.

Das Fraunhofer PAZ möchte eben diese Technologie entwickeln und arbeitet dazu in einem neuen Projekt mit Kurt Seume Spezialmaschinenbau, Ematik, Exipnos und Dornburger Kunststoff-Technik zusammen. Ziel des Projekts, das innerhalb des Programms „Wachstumskern Potenzial“ für zwei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschnung (BMBF) gefördert wird, ist die Entwicklung einer Technologieplattform zur effizienten Herstellung hochwertiger Zellstoff-Compounds ausgehend von kommerziell verfügbaren Zellstoff-Lieferformen sowie deren Verarbeitung zu Formteilen im konventionellem Spritzguss sowie Spritzgießcompoundierung.

„Mit dem Know-how der beteiligten Partner können wir Zellstoff- und Kunststoff-Technologie in einer einzigartigen, durchgehenden Lösung miteinander verbinden. So machen wir Faserzellstoff für die Kunststoff-Verstärkung industriell nutzbar. Denn die Inline-Verarbeitung, ausgehend von Pappe und ohne weitere Zwischenprodukte, die die Eigenschaften verschlechtern und den Preis erhöhen würden, ist die effizienteste Variante der Verarbeitung“, erklärte Michael Busch, Leiter des Projekts am Fraunhofer PAZ.

Schlüssel sei ein zum Patent angemeldetes Filterstopfwerk: Die Pappe als Ausgangsmaterial wird zunächst gemahlen, sodass einzelne Zellstofffasern in ausreichender Länge entstehen. Diese werden in einem Faser-Luft-Strom abtransportiert. Das Filterstopfwerk trennt anschließend die Fasern von der Luft und befördert sie in den Compoundier-Extruder, wo die Weiterverarbeitung stattfindet.

Projektleiter Busch sieht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für hochwertige Faserzellstoff-Compounds und Formteile: Einerseits werde eine signifikante Vereinfachung aufwändiger konstruktiver Lösungen möglich. Andererseits könnte man glasfaserverstärkte Kunststoffe durch zellfaserverstärkte, die günstiger und ökologischer sind, teilweise ersetzen. Auch die Fertigung von Masterbatches, bei denen der Faseranteil mehr als 50 Prozent beträgt, strebe das Konsortium an.

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