Grundlagenuntersuchungen des Zusammenhanges zwischen fibrillären Strukturen von Kurzfasern und deren Verstärkungspotential für polymere Materialien am Beispiel von Cellulosefasern

Die Verstärkung von Kunststoffen mit cellulosischen Fasern, vor allem mit Bast- und Holzfasern, ist Stand der Technik. Der Anwender sieht sich einem breiten Spektrum an cellulosischen Verstärkungsmaterialien gegenüber. Es reicht von Holzfasern und Zellstoff über Viskose, Baumwolle, Lyocell und Rayon bis hin zu hochsteifen Bastfasern (z.B. Flachs oder Jute). Etwa in dieser Reihenfolge staffelt sich auch das Verstärkungspotential für Composites. Seit einiger Zeit gibt es über die genannten Materialien hinaus auch mikrokristalline Cellulosefasern, die hinsichtlich des Faserdurchmessers im Nanometerbereich liegen, z.B. die Bakteriencellulose (BC). Die Chemie der aufgeführten Fasern ist weitgehend gleich. Dennoch stufen sich solche Parameter wie Festigkeit und Steifheit in einem weiten Bereich auf Grund der morphologischen Feinstruktur ab, was sich wiederum auf die Composites auswirkt.

Das abgeschlossene Projekt beschäftigte sich mit Beziehungen zwischen der fibrillären Struktur von cellulosischen Fasern und deren Effekt in Composites, insbesondere mit den Wechselbeziehungen zwischen Aufschlussgrad, Verteilbarkeit in der Matrix und Überlagerung der verschiedenen Faserparameter. Dies erfolgte vorrangig mit der Nassvlies-Technologie: Der Nassvlies-Prozess lässt sich für alle Fasermaterialien anwenden, führt zu einer homogenen Verteilung und gestattet hohe Fasergehalte bei geringem Faserbruch.

Ergebnisse

Gegenstand der Untersuchungen waren Verbundstrukturen auf Basis von Holzfasern, Zellstoff, Viskose, Lyocell, Flachs und BC. Diese Fasern wurden in unterschiedlichen Aufmachungen (Aufschluss, Mahlgrad, Länge) und damit in abgestuften fibrillären Zuständen verwendet. Es erfolgte eine umfassende Charakterisierung der Cellulosics, die weit über die üblichen Tests des Kraft-Dehnungs-Verhaltens von Fasern hinausgehen: Messungen zum Einfluss der ungeordneten Faserbereiche, von Poren und Hohlräumen. Die Verbunde selbst wurden über Nassvliese vorbereitet und mittels geeigneter nachfolgender Prozesse konfektioniert.

Das Ergebnis des Projekts besteht in Korrelationen zwischen dem fibrillären Aufbau der (Cellulose-) Fasern und der realisierten Verstärkung. Außerdem wurde einer Theorie nachgegangen, nach der die Verstärkungswirkung einer Faser maßgeblich von deren innerer struktureller Anisotropie abhängt.

Anwendung

Composites begegnen uns in allen Bereichen der Technik und des täglichen Lebens. Die im Projekt betrachteten Verbundwerkstoffe auf Basis von Cellulose konkurrieren erfolgreich mit Glasfaserverstärkten Materialien, einem in riesigem Ausmaß eingesetzten Werkstoff.

Das Projekt beschäftigt sich mit der (fast) vollständigen Familie dieser cellulosischen Verstärkungsfasern - Holzfasern, Zellstoff, Viskose, Baumwolle, Lyocell, Rayon, Bastfasern - und  schloß zusätzlich das für Composites neuartige, hochinteressante Material Bakteriencellulose ein.

BC kann man erst seit kurzem in Mengen, die auch technische Anwendungen sinnvoll erscheinen lassen, erwerben, deshalb steht hier der Nachweis der Eignung für Composites noch aus. Bei der Mehrzahl der übrigen Cellulosics ist die Situation jedoch anders: Holzfasern, Rayon, Baumwolle und Bastfasern fließen schon heute in großem Maßstab in industrielle Verbundwerkstoffe ein; Zellstoff, Viskose und Lyocell sind für derartige Anwendungen grundsätzlich brauchbar.

Aus dem FuE-Vorhaben resultiert ein Beitrag zum grundlegenden Problem, die „wahre“ Performance von Verstärkungsfasern von der jeweiligen Aufmachung zu abstrahieren. Das Wissen um diese Zusammenhänge kann dazu genutzt werden, Einflüsse aus der Halbzeugherstellung auf die Faserqualität besser herauszufiltern und so die bekannten, industriell üblichen Prozesse (Vliese/Matten, Bänder, Rovings u.a.) zu perfektionieren. Derartige Anfragen kommen immer wieder aus der Industrie.