Konstrukteuren steht eine wachsende Auswahl an Naturfasern zum Compoundieren in Basisharze zur Verfügung. Diese Produkte sind aufgrund ihrer erneuerbaren Natur nicht nur „grüner“, sondern können auch das Gewicht reduzieren und die physikalischen Eigenschaften verbessern, oft zu geringeren Kosten als anorganische Alternativen. In einer Reihe von Vorträgen auf der Global Plastics Environmental Conference (GPEC) der Society of Plastics Engineers (SPE), die Anfang dieses Jahres in Orlando stattfand, warben die Referenten für alles, von Maiskolben und Weizenstroh bis hin zu Sonnenblumenschalen, als funktionelle Füllstoffe, die nicht nur Erdöl verdrängen. oder erdgasbasierte Kunststoffe, sondern können auch die Performance eines Compounds steigern.
In einem Artikel von Michael Fuqua, Venkata Chevali und Chad Ulven von der North Dakota State University (Fargo, ND) wurde detailliert beschrieben, wie Maiskolben, die in recyceltes Polyethylen hoher Dichte (HDPE) gemischt wurden, zu Verbesserungen der thermischen Stabilität und der Formtoleranzen führten. Das Papier zeigte auch, wie die Zugabe von chemischen Kompatibilisatoren zur Unterstützung der Bindung zwischen dem Harz und dem natürlichen Füllstoff zu „signifikanten“ Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften führte. Die Forschung führte das Team zu dem Schluss, dass mit Maiskolben gefülltes recyceltes HDPE einige starke Vorteile gegenüber reinen Polymeren oder traditionell gefüllten Compounds hat.
Der Schlüssel zu den Verbindungen ist die Tatsache, dass aus Naturfasern gewonnene Biomasse das aufweist, was die Forscher ein „Rückgrat“ aus kristalliner, geradkettiger Polymerzellulose nennen. Im Gegensatz dazu stellen die anderen Bestandteile von Biomasse, einschließlich Hemizellulose, Stärke, Lignin und Protein, amorphe Polymere dar, die eine geringere Eigenfestigkeit als Zellulose aufweisen.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass aufgrund der chemischen Struktur die Entwicklung funktioneller Lignozellulose-Füllstoffe Biomasse mit hohem Zellulosegehalt erfordern würde.
Hydrophobes Polymer trifft auf hydrophile Biomasse
Um eine robuste Verbindung herzustellen, mussten die NDSU-Forscher auch die Tatsache überwinden, dass HDPE von Natur aus hydrophob ist, während Biomasse hydrophil ist. Sie fanden heraus, dass mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Polyethylen (MAPE) als Oberflächenmodifizierer von Biomasse-Füllstoffen wirken könnte, um die Verbindung der Füllstoffe und des HDPE in einer robusten Matrix zu unterstützen. MAPE fungierte im Wesentlichen als Kompatibilisierungsmittel und interagierte mit den Zellulosepolymerketten, die das Rückgrat von Lignozellulose-Biomasse bilden.
Als Teil ihrer Forschung erstellte das NDSU-Team zusätzlich zum MAPE Proben, die zu 20 % nach Gewicht mit dem Maiskolben-Füllstoff beladen waren. Dieses wurde in einem gleichläufigen Leistritz-Doppelschneckenextruder mit HDPE schmelzgemischt. Die Teammitglieder kamen zu dem Schluss, dass aufgrund der inhärenten Polaritätsunterschiede zwischen Lignozellulosefasern und HDPE eine Grenzflächenbindung erforderlich ist, da es sonst zu einer begrenzten chemischen Wechselwirkung kommen würde und sich Oberflächenhohlräume bilden könnten.
Kraft der Sonnenblume
Jeremy Dworshak, Materialingenieur beim Custom Molder Steinwall Inc. (Coon Rapids, MN), hielt einen Vortrag über die Arbeit seines Unternehmens mit NDSU und John Deere zur Herstellung eines Bioverbundwerkstoffs, der Sonnenblumenschalenfasern mit Polypropylen (PP) mischt. Bei der Entwicklung des Compounds wurden Plaques für die Verwendung in standardisierten mechanischen und physikalischen Tests geformt, zusammen mit der Herstellung von Komponenten für umfassende Tests.
John Deere wollte niedrigere Gesamtkosten und verbesserte Eigenschaften für das Teil, einen Griff mit zwei umspritzten Schraubengewinden, die aus einem unverstärkten Copolymer PP geformt worden waren, das von Matrixx Group Inc. geliefert wurde. Sonnenblumenschalenfasern wurden auf der Grundlage des Zellulosegehalts ausgewählt Kosten (siehe Tabelle), mit ca. 45 % Zellulose: besser als Maiskolben (40 %), aber unter Flachsfasern (70 %).
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass diese Biokomposite mit ungefähr denselben Parametern wie das reine Polymer verarbeitet werden könnten. Die Feuchtigkeitsaufnahme nahm mit der Zugabe von Fasern zu, und für die höchste Spitzenbelastung beim Zugauszug schnitt eine mit Maleinsäureanhydrid kompatible Sorte am besten ab.
Ford erntet Weizenstroh als funktionellen Füllstoff
Ebenfalls auf der GPEC diskutierten der kundenspezifische Compounder A. Schulman (Akron, OH), Ford und die University of Waterloo (Waterloo, ON), wie ihre Zusammenarbeit zur Entwicklung mehrerer Produkte geführt hat, die nicht nur die aktuellen Materialspezifikationen erfüllen, sondern auch bieten erhebliche Gewichtseinsparungen gegenüber herkömmlichen mineral- und glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen und sind gleichzeitig preisgünstig.
Die Gruppe diskutierte ihre Entwicklung eines spritzgießbaren, mit Weizenstrohfasern verstärkten Polypropylens (WSPP). Das Herzstück der Verbindung ist Weizenstroh, ein jährlich erneuerbares Abfallprodukt aus der Landwirtschaft, das zu geringen Kosten weit verbreitet ist und nicht mit Nahrungsquellen konkurriert.
Das Weizenstroh wurde von Omtec Inc. (Mississauga, ON) geliefert und von Farmen im südlichen Ontario bezogen. Omtec verwendet ein proprietäres System zur Vorbereitung des Weizenstrohs, einschließlich Reinigung, Trennung, Hacken und Sortieren. Danach wurde die Weizenstrohfaser auf einer herkömmlichen Extrusionsanlage von A. Schulman compoundiert. Die Studie konzentrierte sich auf PP-Homopolymer und einige schlagzähmodifizierte Typen.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das Weizenstroh eine praktikable Alternative zur Talkverstärkung darstellen könnte, da es dank des geringeren spezifischen Gewichts der Faser eine deutliche Verringerung der Dichte bietet.
Die Hitze ertragen, immer noch süß riechend
Eine Herausforderung stellen Naturfaserverbundwerkstoffe immer wieder dar: Thermischer Abbau bei der Verarbeitung führt zu Geruchs- und/oder Farbveränderungen. Um dies zu überwinden, arbeiteten A. Schulman und die University of Waterloo an einem Additivsystem und einer Verarbeitungsmethode, die schließlich den Großteil des Geruchs beseitigten. A. Schulman entwickelte eine zusätzliche Prozessverbesserung, die alle Aromen weiter reduzierte, was zu dem führte, was das Papier als „einen Geruch beschrieb, der nicht unangenehm, minimal war und sich innerhalb kurzer Zeit auflöst“.
Mit Weizenstrohfasern verstärktes PP ist derzeit im 2010er Ford Flex in der dritten Sitzreihe mit Viertelverkleidung und Abdeckfolie unterwegs. Das Compound enthält etwa 20 % Weizenstrohfasern, und mehrere zusätzliche Weizenstroh-PP-Qualitäten wurden für Innen-, Außen- und Motorraumanwendungen entwickelt.
Die Forscher sagten, dass Vorteile für die Verbindung sind: Standard-Prozessausrüstung und -Werkzeuge können verwendet werden; kürzere Zykluszeiten (8 %–12 % schneller) und reduzierte Verarbeitungstemperaturen (20–30 °C) senkten den Energieverbrauch für einen kleineren CO2-Fußabdruck und reduzierte Kosten; die Verbindung zeigte gleichwertige oder verbesserte Eigenschaften gegenüber anorganischen Füllstoffen; die Dimensionsstabilität verbesserte Passform/Finish; und es gab eine Gewichtsreduzierung von 5 % bis 10 % gegenüber gleichwertigen glas- und/oder mineralverstärkten Verbundwerkstoffen.
Ausgehend von diesen und anderen jüngsten Fortschritten und der zunehmenden Tendenz der Verbraucher, Produkte aus nachhaltigen Materialien zu bevorzugen, können Verarbeiter erwarten, dass ihnen in den kommenden Monaten und Jahren eine größere Auswahl an natürlich verstärkten Compounds angeboten wird.
