Biodegradable Hanffaser-Verbundwerkstoffe

Die Suche nach neuen Möglichkeiten der Polymerwiederverwertung und nach neuen Entsorgungswegen ist aufgrund des steigenden Umweltbewusstseins und des schwindenden Deponieraumes für nicht verwertbare Abfallstoffe hoch aktuell.

Für biologisch abbaubare Werkstoffe bietet sich mit der Kompostierung eine Alternative in der Entsorgungsproblematik, weshalb in den letzten Jahren verschiedene biologisch abbaubare Polymere bis zur Marktreife entwickelt wurden. Die vorliegende Arbeit beleuchtet die gesamte Prozesslinie vom landwirtschaftlichen Anbau einer Bastpflanze über die Faserextraktion, die Compoundierung von Naturfasern mit biologisch abbaubaren Matrices zu einem Spritzgusswerkstoff bis zu dessen biologischen Abbau. Dabei werden die Grundlagen für die Entwicklung eines biologisch abbaubaren, polymeren Konstruktionswerkstoffes erarbeitet, der für lasttragende Bauteile eingesetzt werden kann.

Die Verstärkung der Polymere mit Pflanzenfasern verbessert deren mechanischen Eigenschaften und eröffnet damit neue Anwendungsfelder. Das Verstärkungspotenzial bisher eingesetzter Hanffasern wurde nicht ausgeschöpft, da die Fasern als Bündel vorlagen und damit keine homogene Faser-Matrix-Verteilung möglich war. Für die in dieser Arbeit verwendeten Verbundwerkstoffe wurden die Faserbündel daher durch biologische und Dampfdruck-Verfahren aufgeschlossen (Degummierung). Der optimale Erntezeitpunkt der Hanfpflanzen hinsichtlich dieser Degummierprozesse liegt beim Beginn der Blütenbildung der Pflanze. Bei diesem frühen Erntezeitpunkt ist der Ligningehalt des Bastes noch niedrig, sodass Schädigungen der Fasercellulose bei der Degummierung vermieden werden.

Die bis zur Einzelzelle aufgeschlossenen Fasern wurden in die spröde Poly(3hydroxybutyrat-co-hydroxyvalerat)-Matrix und in die duktile Co-Polyesteramid-Matrix mit einem gleichlaufenden Zweischneckenextruder eingearbeitet. Dank der Modifikation des Düseneinlaufes des Extruders konnten Verbundwerkstoffe mit bis zu 42 % vol. Faseranteil realisiert werden. Die Zugfestigkeit des duktilen Werkstoffes wurde durch die Verstärkung mit 27 % vol. Fasern auf 30 MPa nahezu verdoppelt, der E-Modul auf 3,5 GPa vervierfacht. Aufgrund des matrixdominierten Verhaltens des Verbundes geht die Faserverstärkung mit einem Absinken der Schlagzähigkeit einher.

Ein zunehmender Fasergehalt bewirkt eine Beschleunigung des biologischen Abbaus des Verbundwerkstoffes in Erdumgebung. Mit einem neuen Modell kann die Abbaukinetik eines cellulosefaserverstärkten, biologisch abbaubaren Polymers vorausgesagt werden. Im Kompostmilieu hingegen, beeinflusst der Fasergehalt die Abbaukinetik kaum.

Die Arbeit analysiert den Kreislauf vom landwirtschaftlichen Anbau von Faserpflanzen über die Verwendung der Fasern als Verstärkung in biologisch abbaubaren Spritzgusswerkstoffen bis zur Bauteilentsorgung mit dem Ziel der Entwicklung eines neuen, halbzeugtauglichen Verbundgranulates, der wesentlichen Verbesserung der mechanischen Verbundeigenschaften sowie der zugehörigen Modellbildung für die Decortisierung der Pflanzenstengel und für die Degradationskinetik der Verbundwerkstoffe.

Die ausgeführte Thematik ist als Buch erschienen:

Keller A., Biodegradable Hanffaser-Verbundwerkstoffe, Einflüsse der Faserzelle auf strukturelle, mechanische und degradationskinetische Verbundeigenschaften. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 5, Nr. 628. VDI-Verlag, Düsseldorf, 2001. pp. 160.

Quelle und Autor: Dr. sc. techn. Andreas Keller, Werkstoff-Ing. ETH (Swiss Federal Research Station for Agricultural Economics and Engineering)
CH-8356 Taenikon – Switzerland
E-Mail: Andreas.Keller@fat.admin.ch
X.400: G=Andreas;S=Keller;O=fat;A=admin;C=ch
Tel.: ++41 52 368 33 35
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