Entwicklung und Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe

Kurzfassung

Bei der Verwendung konventioneller Kunststoffe und Faserverbunde auf petrochemischer Basis sind Produktion, Nutzung und Entsorgung unter dem Gesichtspunkt der Umweltverträglichkeit oftmals problematisch und mit erheblichem technischen Aufwand verbunden. Einen Lösungsansatz können hier naturfaserverstärkte Biopolymere auf der Basis nachwachsender Rohstoffe bieten. Derartige Verbunde aus Flachs- oder Ramiefasern mit biopolymeren Matrizes können beispielsweise durch CO2-neutrale thermische Verwertung oder u. U. durch Kompostierung umweltverträglich entsorgt werden. Die Dissertation greift diese Idee auf und befasst sich vorrangig mit der Entwicklung quasiisotroper Bio-Verbundwerkstoffe mit dem Schwerpunkt Matrixsysteme. Hieraus ist die zum Patent angemeldete Erfindung einer annähernd duroplastischen Biomatrix auf Schellackbasis hervorgegangen, die sich gegenüber den ansonsten ausschließlich thermoplastischen biopolymeren Systemen im Verbund durch sehr gute mechanische Eigenschaften selbst bei Temperaturen um 70°C und relativen Luftfeuchtigkeiten um 75 % auszeichnet. Zur Erhöhung der Brandbeständigkeit werden die Bio-Verbunde mit mineralischen Flammschutzmitteln (FSM) ausgerüstet. Dabei zeigt sich, dass die Schellackverbunde mit geringeren FSM-Gehalten als die Sconacell A-Verbunde die Brennbarkeitsklasse S 4 erreichen. Die ohnehin geringe Abnahme der mechanischen Kennwerte infolge des FSM-Zusatzes fällt bei den Schellackverbunden kleiner aus als bei den Sconacell A-Verbunden. Beide erfüllen sowohl die von der DB AG gestellten mechanischen Anforderungen als auch die Brandbeständigkeiten. Darüber hinaus werden in der Dissertation unidirektional verstärkte Bio-Verbunde entwickelt, wobei ein ramiegarnverstärkter Schellackverbund die besten Eigenschaften aufwies. Um die Verstärkungswirkung der Naturfasern zu verbessern, wird durch Reinigungsprozesse des Vorgarns die interlaminare Scherfestigkeit des Verbunds auf 35,4 Mpa erhöht, jedoch bei gleichzeitiger Verringerung der übrigen Kenndaten. Aufgrund der richtungsabhängigen Werkstoffeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen können besondere strukturmechanische Wirkungen, insbesondere Verformungskopplungen erzeugt werden, die mit isotropen Materialien nicht darstellbar sind. So wird in der Dissertation für einen ramiegarnverstärkten Schellackverbund der optimierte Faserwinkel für eine maximale Biege-Torsionskopplung mit 31 ° berechnet.