Bio im Kunststoff

Beim Spritzgießen ihrer Produkte nutzen Unternehmen immer häufiger Verbundwerkstoffe mit Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen: naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK). Dabei folgen sie einerseits der Strategie, weg von fossilen Rohstoffen, hin zu biobasierten Materialien. Aber auch aus ökonomischer Sicht haben diese Verbundwerkstoffe Vorteile wie geringere Preise, langfristige Verfügbarkeit oder gute dichtespezifische Eigenschaften. Der Frage, ob NFK den ökologischen und technischen Anforderungen entsprechen, geht das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover (IfBB) nach.

Die passende Auswahl der Fasern oder Füllstoffe richtet sich meist nach dem jeweiligen Verarbeitungsprozess und den geforderten Eigenschaften des Werkstoffes. Klassiert nach der Verstärkungskomponente sind folgende Gruppen zu nennen: Wood-Plastic-Composites (WPC) sind thermoplastische Verbundwerkstoffe mit 40 bis 70 Gewichtsprozent Holz­partikeln als Füllmaterial. Sie lassen sich mittels Extrusion zu Profilen verarbeiten. Konventionelle mineralhaltige thermoplastische Compounds sind mit ­Talkum gefüllte oder mit Glasfaser ­verstärkte Verbundwerkstoffe. NF-Compounds bestehen aus aufbereiteten, unter anderem größenklassierten, delignifizierten, Handlings-optimierten Kurzfasern mit weniger als 2 mm Länge und einem Faseranteil meist deutlich unter 50 Gewichtsprozent. Je nach Verhältnis der Länge zum Durchmesser eignen sich faserverstärkte Kunststoffe als Füllstoff oder Verstärkung für Spritzguss-Anwendungen.

Haupteinsatzgebiet Automobilindustrie

NFK und WPC unterscheiden sich in den resultierenden Gebrauchseigenschaften, da die Naturfasern ihre verstärkenden Eigenschaften erst ab einem bestimmten Länge-Durchmesser-Verhältnis signifikant realisieren. Sonst überwiegt der Füll­stoff­charakter. Haupteinsatzgebiet thermoplastischer NFK ist die Automobilindustrie. Die Verbundwerkstoffe kommen in der Tür­innenverkleidung, im Handschuhfach und anderen Interieur-Bauteilen zum Einsatz. Außerhalb des Autos aber auch in Handyschalen oder Büromaterialien. In Deutschland setzen die Hersteller neben heimischen Rohstoffen wie Flachs-, Hanf- und Holzfasern auch Jute-, Bambus- und Sisalfasern ein.

Die dominierende Hauptanwendung von WPC liegt im Decking- und Baubereich. Die Unterteilung der Fasern zur Verstärkung von Kunststoffen beruht auf der Herstellweise beziehungsweise der Rohstoffgrundlage der Fasern. Neben den pflanzlichen Fasern sowie den Cellulosederivaten und -regeneraten entwickeln Forscher zunehmend biobasierte synthetische Fasern als Verstärkungskomponente.

Naturfasern ersetzen Glasfasern

Durch die Einarbeitung der Fasern in einen Kunststoff lassen sich die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Verbundwerkstoffe verändern. Cellulose-basierte Fasern und Holzmehl eignen sich dabei als Verstärkungskomponente für Spritzguss, da sie bezogen auf ihre dichtespezifischen Eigenschaften ökonomisch und ökologisch interessant sind. Hier bieten sich besonders delignifizierte Cellulosefasern, also solche ohne verholzende Bestandteile, oder Regeneratfasern an. Diese zeichnen sich durch einen Celluloseanteil von über 99 Prozent und keinen Lignin-Bestandteil aus, was zur Folge hat, dass weniger Geruchs- und Farbveränderungen während der Verarbeitung entstehen [2].

Bei der Compoundierung muss der Anwender insbesondere die hydrophile Eigenschaft der Naturfasern beachten und den Prozess entsprechend anpassen. Die gleichmäßige gravimetrische Dosierung bestimmter Faserarten und ihre begrenzte thermische Stabilität sind oft noch Herausforderungen bei diesem Prozess. Forscher untersuchen hier, inwieweit Kurzfasern mit weniger als 2 mm Länge als Verstärkungskomponente Glasfasern oder Talkum ersetzen können. Im Hinblick auf den Automotive-Bereich liegt dabei der Fokus auf geringerem Gewicht. Wichtig ist hierbei, dass die Dichte der Cellulose-basierten Fasern deutlich unter der Dichte von Talkum oder Glasfasern liegt – obwohl für die Fasern die absolute Dichte von Cellulose von rund 1,4 g/cm3 angenommen werden muss, da die Holz-, Cellulose- und Pflanzenfasern beim Spritzgießprozess so stark komprimiert werden, dass nahezu keine gewachsenen Hohlräume mehr erhalten bleiben. Beim Vergleich der Fasern oder Composites sollten die Anwender jeweils die dichtespezifischen Eigenschaften berücksichtigen, um mögliche Material- und Gewichts­ein­sparungen durch reduzierte Wandstärken zu erfassen.

Unterschiede in der Verarbeitung

Im Rahmen von eigenen vergleichenden Untersuchungen haben die Forscher des Instituts mit den verschieden­en Fasern entsprechende Compounds erzeugt und charakterisiert. Die beispielhaft mit einem Anteil von 20 Gewichtsprozent verwendeten Fasern, darunter Glasfasern (GF), Celluloseregeneratfasern (CRF) und delignifizierte Cellulosefasern (dCF), wurden mit PP sowie Maleinsäureanhydrid gepfropftem PP (MAH-PP) zur Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung zwischen den polaren Cellulosefasern und der unpolaren Polyolefinmatrix per Extrusion zu Compounds verarbeitet [1]. Anschließend haben die Forscher spritzgegossene Zugprüfkörper hergestellt. Diese haben sie mechanisch und hinsichtlich ihrer Dichte charakterisiert.

Durch den Einsatz der Glasfaser kann eine Erhöhung des E-Moduls um den Faktor drei gegenüber der PP-Matrix erreicht werden. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Dichte des Werkstoffes. Eine Alternative zur Glasfaser ist hier die Celluloseregeneratfaser, die in der PP-Matrix eine Erhöhung des E-Moduls um den Faktor 1,7 bewirkt. Die Dichte erhöht sich im Vergleich zur Glasfaser nur um die Hälfte. Bei der delignifizierten Cellulosefaser ist der Anstieg der Dichte ähnlich zu dem der Celluloseregeneratfaser. Allerdings bewirkt die delignifizierte Cellulosefaser nur einen Anstieg des E-Moduls um den Faktor 1,3 (PP-Matrix).

Neben den Gebrauchseigenschaften sind außerdem die rheologischen Eigenschaften besonders im Hinblick auf eine spritzgießtechnische Weiterverarbeitung der Compounds wichtig. Bei einer erhöhten Schmelzeviskosität gegenüber dem unverstärkten PP benötigt der Spritzgießprozess signifikant höhere Drücke zum vollständigen Füllen der Bauteile. Hinzu kommt mit den zunehmenden Prozessdrücken eine erhöhte thermomechanische Material- sowie Faserbelastung. Die Fasermorphologie selbst hat ebenfalls hohen Einfluss auf die Fließfähigkeit der Compounds und auf die Orientierung der Fasern im Bauteil. Diese Kenntnisse sind Voraussetzung für die Simula­tion des Füllverhaltens und des Versagens von Cellulosefaser-Composites.

Umweltauswirkungen variieren je nach Aufbau

Eine in nahezu allen Anwendungsfällen wichtige Frage bei den Holz-, Cellulose-, Natur- oder Celluloseregeneratfaser-Composites ist es, ob NFK ökologisch überhaupt sinnvoll sind. Ein Hauptargument für den Einsatz von NFK ist der Anspruch, im Bereich der ökologischen Nachhaltigkeit Vorteile gegenüber konventionellen Materialien zu generieren. Vor dem Hintergrund des Klimawandels liegt der Fokus derzeit insbesondere auf dem Treibhauspotenzial, der Einsparung von CO2. Um die Umweltauswirkungen von Werkstoffen zu erfassen, sollten jedoch auch andere Wirkungskatego­rien, wie abiotischer Ressourcenverbrauch oder Versauerungspotenzial, berücksichtigt werden, um eine ganzheitliche Betrachtung zu ermöglichen.

Die Forscher haben die Aufnahme von biogenem CO2 durch die Photosynthese bei den NFK als CO2-Senke in der Entstehungsphase berücksichtigt [6]. Im Vergleich zu Polypropylen zeigen die NFK Vorteile insbesondere im Bereich des Treibhausgaspotenzials und des abiotischen Ressourcenverbrauchs. Nachteile ergeben sich je nach Naturfaser dagegen in der Regel in anderen Wirkungskategorien wie beispielsweise beim Eutrophierungs-, Versauerungs- oder Ozonabbaupotenzial. Hauptgrund hierfür ist der landwirtschaftliche Anbau der nachwachsenden Rohstoffe im direkten Vergleich zu den fossilen Rohstoffen. NFK haben etwa gegenüber GFK vorteilhafte Entsorgungseigenschaften: die Fasern kürzen sich beim Recycling kaum ein, beim Verbrennen erhöht sich der Heizwert und es bleibt wenig Asche als Verbrennungsrückstand übrig.

Je nach Produkttyp und Anforderungen ergeben sich für den gleichen Werkstoff teils unterschiedliche Umweltauswirkungen. Während im Verpackungsbereich meist die ökologischen Auswirkungen aus Herstellungs- und Entsorgungsphase den Lebenszyklus dominieren und die Nutzungsphase wenig Relevanz aufweist, ist dies im Automobilbereich umgekehrt. Hier ist die Nutzungsphase der dominierende Faktor. Weiterhin sollten auf Produktebene auch die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien berücksichtigt werden.

So können höhere mechanische Kennwerte zu dünnwandigeren und leichteren Bauteilen bei gleichem Nutzen führen. Entsprechend können zwar für NFK auf Zwischenprodukt-Ebene erste Tendenzen hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen aufgezeigt werden. Jedoch müssen die Verantwortlichen jedes Produkt individuell betrachten, um die Umweltauswirkungen beurteilen zu können.n
[1] H.-J. Endres, K. Hausmann und P. Helmke, „Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Haftvermittler und Haftvermittlergehalte auf PP-Holzmehl-Compounds,“ KGK, Nr. 6, 2006.

[2] IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, Eigene Recherchen, bisher unveröffentlicht, Hannover, 2012.
[3] M. Flemming, G. Ziegmann und S. Roth, Faserverbundbauweisen – Fasern und Matrices, Berlin: Springer-Verlag, 1995. [4] G. W. Ehrenstein, Faserverbund-Kunststoffe – Werkstoffe – Verarbeitung – Eigenschaften, München: Carl Hanser Verlag, 2006.
[5] B. Brehmer, „Beständig und umweltfreundlich,“ Kunststoffe, Nr. 03, pp. 72-75, 2012.
[6] Patel, M.K., Pawelzik, P., Carus, M., Hotchkiss, J., Narayan, R., Selke, S., Wellisch, M., Weiss, M., Wicke, B. (2013) Critical aspects in the life cycle assessment (LCA) of bio-based materials – Reviewing methodologies and deriving recommendations, Resources, Conservation and Recycling, Vol. 73, April 2013, pp. 211-228.