Entwicklung und Erprobung von hochwertigen Leichtbau-Composites auf Basis von nanofibrillärem Cellulosematerial (NC)

Bei Bakteriencellulose (BC) handelt es sich um biotechnologisch hergestellte, nanofibrilläre Cellulosefasern, die in dreidimensionaler, hochgequollener Form anfallen. Während dieses Material früher nur in kleinsten Mengen im Labor gezüchtet wurde, steht es heute durch die Entwicklungen im fzmb Bad Langensalza in größerem Maßstab zur Verfügung.

Angesichts der Erfahrungen mit anderen hochsteifen cellulosischen Werkstoffen erscheint BC mit ihrer äußerst feinfaserigen Struktur für den Einsatz in Composites ganz besonders geeignet.

In der Vergangenheit stellte eine ganze Reihe von wissenschaftlichen Veröffentlichungen die Effekte der BC in verschiedenen polymeren Matrices heraus. Das abgeschlossene Projekt hebt sich von diesen Arbeiten dadurch ab, dass hier nicht das Potential der BC an sich, sondern deren Eignung in industriellen Prozessen und für technische Anwendungen betrachtet wurde.

Ergebnisse

Aus den dazu im TITK durchgeführten Untersuchungen lassen sich folgende Aussagen treffen:

• BC fällt in Form von Sheets an. Deren Festigkeit und Steifheit steigen mit abnehmender Dicke an; sehr dünne Sheets weisen recht hohe E-Moduli auf. Problematisch ist jedoch die Handhabung der hauchdünnen Sheets.
• Die Aufmachung, die produktivere Prozesse gestattet, ist das BC-Pulver, gemahlen aus den Sheets. Größe, Form und Zustand der Oberfläche (Fibrillierung) lassen sich durch die Gestaltung des Mahlprozesses steuern.
• Die Incorporation von BC in Harzen ist über beide Aufmachungen möglich. Mit BC-Sheets lassen sich steifere Composites aufbauen, allerdings um den Preis beträchtlicher manueller Leistung. Hinsichtlich Produktivität günstiger ist das BC-Pulver, das in die Harze eingemischt werden kann.
• Dagegen lassen sich BC-Sheets in Thermoplasten kaum verarbeiten. BC-Pulver kann man dagegen über die gängigen Compoundierverfahren gut in Thermoplaste und auch in Thermoplastische Elastomere einbringen (Verarbeitung bei 200 - 210°C).
• BC in einer polymeren Matrix soll vor allem die Festigkeit und die Steifheit des Kunststoffs erhöhen. Wie die Vielzahl der Untersuchungen zeigten, verhält sich die BC wie hochsteife cellulosische Naturfasern: In Abhängigkeit von Aufmachung und Konzentration beobachtet man an den unterschiedlichsten Verbunden, dass BC

• die Festigkeiten geringfügig erhöht, häufig auch etwas absinken lässt,
• den E-Modul anhebt, meist schon bei recht geringen Fasergehalten,
• die Schlagzähigkeit absenkt; bei entsprechenden Anforderungen könnte man das jedoch über Schlagzäh-Modifikatoren ausgleichen.

• Die Verwendung von BC-Sheets gestattet die Herstellung von transparenten Harz-Produkten – bei gewissenhafter Prozessführung sind mit Epoxidharz Aufbauten aus 60 und mehr Sheets noch durchscheinend!

Die Industriepartner des Projekts lieferten den Nachweis, dass man diese Befunde aus Labor und Technikum auf den großtechnischen Maßstab übertragen kann.

Anwendung

Faserverstärkte Composites sind ein zentraler Baustein bei der Zukunftstechnologie „Leichtbau“. Die Vorteile jeglicher Leichtbau-Ansätze erschließen sich unmittelbar in den Bereichen „Mobilität“ und „Transport“.