Leistungsfähige Composites auf Biobasis für den Leichtbau

Gastbeitrag von Andrea Anusic, Yannick Blößl und Katharina Resch-Fauster, Montanuniversität Leoben

Einsatz der biobasierten Harzrezeptur im Resin Transfer Moulding-Prozess für die Herstellung eines Green Composites © Montanuniversität Leoben
Einsatz der biobasierten Harzrezeptur im Resin Transfer Moulding-Prozess für die Herstellung eines Green Composites © Montanuniversität Leoben
Herstellung eines Composites mit 100 % biobasiertem Kohlenstoffanteil auf Basis von Leinsamenöl, kristalliner Zitronensäure und Flachsfaserverstärkung © Montanuniversität Leoben
Herstellung eines Composites mit 100 % biobasiertem Kohlenstoffanteil auf Basis von Leinsamenöl, kristalliner Zitronensäure und Flachsfaserverstärkung © Montanuniversität Leoben

25.08.2020

Polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe – sogenannte Composites – entstehen durch den Zusammenschluss und das ideale Zusammenwirken hochfester und hochsteifer Verstärkungsfasern, z.B. Aramid-, Kohlenstoff- oder Glasfasern, mit mechanisch hoch belastbaren Polymeren wie beispielsweise Epoxidharzen als Matrixwerkstoff. Ihr herausragendes Eigenschaftsprofil, das vor allem durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei entsprechend niedriger Dichte gekennzeichnet ist, macht sie zu einer besonders ressourceneffizienten Werkstoffklasse.

Biogene Composites

Aus ökologischen Gründen werden in den vergangenen Jahren vermehrt auch biogene Ausgangsmaterialien für Composites erprobt, wobei der Fokus vor allem auf dem Einsatz von Pflanzenfasern als Verstärkung liegt. Im Bereich biobasierter Matrixmaterialien werden neben Furanharzen nun auch zunehmend biobasierte Epoxidharze entwickelt. Üblicherweise werden dabei Pflanzenöle epoxidiert und mit konventionellen petrochemischen Härtern vernetzt. Dabei werden oft auch toxikologisch kritische Mischungsbestandteile bzw. Katalysatoren eingesetzt und der biobasierte Kohlenstoffanteil in der Gesamtmischung ist niedrig.

Forschung mit Pflanzenölen

Aktuelle Forschungsarbeiten am Department Kunststofftechnik der Montanuniversität Leoben verfolgen die Stärkung der stofflichen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen in Form von Naturfaserverbundwerkstoffen für den Leicht- und Strukturbau. Zentraler Forschungsgegenstand dabei ist die Entwicklung von leistungsfähigen, duromeren Kunststoffkomponenten auf Basis von Pflanzenölen mit dem Ziel, den biobasierten Kohlenstoffanteil zu erhöhen, auf toxikologisch bedenkliche Inhalts- und Hilfsstoffe zu verzichten und hohe Festigkeiten und Steifigkeiten zu erreichen.

Neue Rezeptur

Durch die Härtung von epoxidiertem Leinsamenöl mit kristalliner Zitronensäure wurde ein Epoxidharz mit einem 100 % biobasierten Kohlenstoffanteil hergestellt. Über systematische Parameterstudien wurden das optimale Mischungsverhältnis sowie die effizientesten Härtungsparameter eruiert. Die finale Harzrezeptur weist ein Zugmodul von rund 2.000 Megapascal bei Raumtemperatur und eine Glasübergangstemperatur von 80°C auf. Da es sich bei Zitronensäure um einen Feststoffhärter handelt, wurde in weiterer Folge ein Verfahren entwickelt und angewandt, das den unkomplizierten Einsatz der Harzrezeptur im Resin Transfer Moulding-Prozess ermöglicht.

Ungiftige Alternative

Mit Flachsfasern als Verstärkung wurde anschließend ein hinsichtlich Herstellung, Verarbeitung und Gebrauch toxikologisch unbedenkliches Composite vollkommen auf Basis nachwachsender Rohstoffe entwickelt, welches das große Potenzial von biogenen Faserverbundwerkstoffen für Strukturanwendungen unterstreicht und eine interessante Alternative zu petrochemisch basierten Composites in vielen Anwendungen darstellt.
 

Das Forschungsprojekt:
Die Forschungsarbeiten erfolgen im Rahmen des Projekts „Reliable and Sustainable composite production for Biobased Components“, das vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie gefördert und im Rahmen des Programms „Produktion der Zukunft” der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG durchgeführt wird.
Die Experten/-innen:
Andrea Anusic und Katharina Resch-Fauster lehren und forschen am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe der Montanuniversität Leoben. Yannick Blößl ist am Lehrstuhl für Verarbeitung der Verbundwerkstoffe, ebenfalls an der Montanuniversität Leoben, tätig.

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