Vulkanfiber ist ein Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelter Schichtwerkstoff, welcher aus Cellulosefasern in Form von Spezialpapierlagen mittels Pergamentierung entsteht. Derartige Spezialpapiere bestehen aus Zellstoff und Baumwolle. Um Vulkanfiber herzustellen, werden diese Papierlagen mit einer Pergamentierflüssigkeit getränkt. Die Flüssigkeit wirkt als Katalysator und lässt die Cellulose aufquellen. Es bildet sich Hydratcellulose. Gleich­zeitig lösen sich niedrigmolekulare ­Anteile, welche als Kittsubstanz zwischen den Fasern fungieren. Um ein Verzuckern der Cellulose zu vermeiden, begrenzt der Hersteller die Einwirkzeit der Pergamentierflüssigkeit weitestgehend. Durch Aufschichten der getränkten Papierlagen entsteht der Werkstoff Vulkanfiber. Im Anschluss wird die Pergamentierflüssigkeit entfernt [1], [2].

Allgemein ist die Vulkanfiber abriebfest, hart und schlagzäh. Zudem ist sie elektrisch isolierend, antistatisch und mit einer Dichte von 1,45 g/cm³ relativ leicht. Im Vergleich zu Thermoplasten ist die Fiber als Cellulose­produkt gegenüber Wärme unempfindlich. Eine große Rolle für den Einsatz von Vulkanfiber als Konstruktionswerkstoff spielt die Hygroskopizität. Diese beschreibt die Eigenschaft eines Stoffs, Feuchtigkeit in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung zu binden oder abzugeben. Vulkanfiber reagiert auf Luftfeuchtigkeit durch reversibles Wasserdampf-Aufnehmen beziehungs­weise -Abgeben [2], [3]. Das eingelagerte Wasser wirkt als Weichmacher. Daher wird der Werkstoff mit zunehmendem Feuchtigkeits­gehalt elastischer, wogegen die Festigkeit abnimmt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Maßhaltigkeit. Schwankungen der Materialfeuchte verändern die Maße, welche Verarbeiter beim Auslegen und Fertigen von Vulkanfiberkomponenten miteinbeziehen müssen. Bisher fehlen hierzu aber grundlegende Richtwerte.

Ein Schwerpunkt der Forschung des Fachgebiets Maschinenelemente der TU Dortmund ist daher das Charakterisieren des Feuchtigkeitsgehalts und der Maßänderungen von Vulkanfiber bei wechselnden Umgebungs­bedingungen. Die Untersuchungen führen die Wissenschaftler an Material des Vulkanfiber-Herstellers Ernst Krüger, Geldern, durch. Es handelt sich um ein nach dem diskontinuierlichen Verfahren produziertes Vulkanfiberprodukt mit einer Materialstärke von 8 mm. Bei der Studie bleibt der Effekt der hygroskopischen Hysterese unberücksichtigt.

Durch sieben Klimastufen musst du gehn

Zur Untersuchung der Materialfeuchte betrachten die Forscher sieben Klimastufen, welche der Klimaschrank KMF 115 der Firma Binder simuliert. Vorversuche zeigten, dass die Probenabmessungen keinen signifikanten Einfluss auf das Messergebnis haben. Kleine Probenkörper verkürzen die Versuchsdauer aber, weshalb die Verantwortlichen würfelförmige Proben mit einer Kantenlänge von 8 mm auswählten. Pro Klimastufe kommen zehn Vulkanfiber-Würfel zum Einsatz. Die Probenkonditionierung überwachen die Forscher mittels einer Feinwaage: Lassen sich innerhalb von 24 Stunden keine Gewichtsveränderungen mehr messen, ist die Konditionierung abgeschlossen. Um die Materialfeuchte zu bestimmen, setzen die Ingenieure der TU Dortmund das Darr-Verfahren ein. Dabei handelt es sich um ein direktes Messverfahren, das den verbliebenen Feuchtigkeitsgehalt einer unter Wärme­einwirkung getrockneten Probe durch den Gewichtsverlust bestimmt [3]: *siehe Bild Formel

Nach DIN 7738 müssten die Wissenschaftler für die Studie eigentlich eine Trocknungstemperatur von 105 °C wählen und einen Messzeitraum von 24 Stunden ansetzen. Diese Angaben beziehen sich jedoch auf Versuchs­proben mit einer Materialstärke von 2 mm. Voruntersuchungen zeigten, dass eine Temperatur von 160 °C über einen Zeitraum von 30 h zu keinen erkennbaren Materialschäden führt und daher unkritisch ist. Dennoch begrenzen die Beteiligten die Trocknungstemperatur auf 120 °C, um unbeabsichtigte Materialschäden und ein damit ­verbundenes Verfälschen der Mess-­Ergebnisse auszuschließen. Den Trocknungs­zeitraum legen sie infolge der Probengröße auf 14 Tage fest. Eine derart lange Wärmeeinwirkung ist erforderlich, um das Material nahezu vollständig zu trocknen. Dazu verwenden die Forscher einen Trockenschrank der Firma Heraeus Instruments. Nach dem Trocknen berechnen und mitteln sie den Feuchtigkeitsgehalt der Proben. Die Standardabweichung der einzelnen Messwerte einer Klimastufe liegt im Durchschnitt bei 0,09 Prozent und ist somit ausreichend klein.

Kalt ist gleich feucht

Mit zunehmender Luftfeuchtigkeit steigt die Materialfeuchte exponentiell. Niedrige Temperaturen begünstigen die Feuchtigkeitsaufnahme zudem. In dieser Hinsicht verhält sich Vulkanfiber wie ein Holzwerkstoff. Die Wissenschaftler erstellten eine Ausgleichs­kurve, die diese Ergebnisse für eine Temperatur von 20 °C im Bereich niedriger bis mittlerer Luftfeuchtigkeitswerte (ca. 40 Prozent rH bis 70 Prozent rH) hinreichend genau abbildet. Bei hohen Feuchtigkeitswerten (ca. 70 bis 90 Prozent rH) weicht die Kurve allerdings vom realen Verlauf leicht ab. Um die Ergebnisse abzusichern, empfehlen die Forscher ein nachträgliches Ermitteln des Feuchtigkeitsgehalts für eine Luftfeuchtigkeit von 80 Prozent rH.

Auf Basis der Ausgleichkurve erstellten die Projektbeteiligten eine Tendenz­kurve für Temperaturen von 10 °C sowie 50 °C. Beide Kurven dienen dem Anwender als Hilfsmittel beim Abschätzen des Feuchtegehalts.

Instabile Dimensionen

Beim Untersuchen der Dimensions­stabilität ist zu beachten, dass sich die Werkstoffeigenschaften infolge des Herstellungsprozesses von Richtung zu Richtung unterscheiden. Maßänderungen erfassen die Forscher daher in Längen-, Breiten- und Dickenrichtung, wobei sie die Längsrichtung als Herstellrichtung beziehungsweise Faser­orientierung definieren. Der Versuchsaufbau umfasst fünf Proben, welche mit Messmarkierungen versehen sind. Nach der Konditionierung im Klimaschrank erfassen die Wissenschaftler jeweils fünf Messwerte pro Messrichtung und Probe. Für die Messung kommt ein Digitalmessschieber nach DIN 862 beziehungsweise eine Bügelmessschraube nach DIN 863/1 zum Einsatz. Aus den 25 Messwerten einer Orientierungsrichtung errechnen sie einen Mittelwert.

Die Standardabweichung liegt zwischen 0,07 Prozent und 0,8 Prozent. Insgesamt durchlaufen die Proben fünf Klimastufen. Die ermittelten prozentualen Maßänderungen infolge der Änderung der Umgebungs­bedingungen beziehen sich auf ein Ausgangsklima von 20 °C und 65 Prozent rH. Die Dicke ändert sich am stärksten, die Länge (Faserrichtung) am geringsten. Alle betrachteten Maß­änderungen beinhalten zugleich eine thermische und feuchtigkeitsbedingte Längenausdehnung. Diese Dimensions­schwankungen hängen in erster Linie von der Feuchtigkeitsdifferenz der Klimastufen ab. Für die Praxis spielt demnach die Materialfeuchte eine wesentliche Rolle.

Um die feuchtigkeitsbedingte Längenausdehnung zu ermitteln, analysieren die Forscher die Maßänderungen bei konstanter Temperatur. Die auf­genommene Feuchtigkeitsmenge ist aus den vorangegangenen Untersuchungen bekannt. Bei 10 °C beträgt die Feuchtigkeitszunahme 8,49 Prozent. Bei 50 °C sind es 5,99 Prozent. Unter Annahme eines linearen Ausdehnungskoeffizienten wird die feuchtigkeitsbedingte Maßabweichung errechnet. Es zeigt sich, dass eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts von einem Prozent beispielsweise in Längsrichtung eine Maßänderung von 0,17 Prozent bewirkt. Der Temperatur­unterschied beeinflusst die Längenausdehnung dagegen nicht signifikant. Somit lässt sich die thermische Längen­ausdehnung vernachlässigen. Maßänderungen infolge von Feuchtigkeitsaufnahme treten bei Vulkanfiber in einem Verhältnis von ca. 1:2:6 auf (Länge:Breite:Dicke).

Mit den Ergebnissen ist es möglich, den Feuchtigkeitsgehalt von Vulkan­fiber für unterschiedliche Umgebungsbedingungen hinreichend genau abzuschätzen. Ausgehend von dem Feuchtigkeitsgehalt lassen sich zudem die Dimensionsschwankungen mithilfe des ermittelten Längendehnungs-Koeffizienten bestimmen. Die Längen­ausdehnung spielt vor allem dann eine Rolle, wenn die Fertigungsbedingungen von den Einsatzbedingungen abweichen oder starke Schwankungen der Umgebungsbedingungen zu erwarten sind. Der Feuchtigkeitsgehalt der Vulkanfiber hängt von vielen Faktoren ab und kann bei anderen Vulkanfiber-Erzeugnissen von den dargestellten Messergebnissen abweichen. Zu den wichtigen Einflussfaktoren gehören die Zusammensetzung des Rohpapiers sowie die Prozessführung der Vulkan­fiberherstellung. Für sehr präzise Anwendungsfälle empfehlen die Wissenschaftler eigenständige Untersuchungen für das ausgewählte Vulkan­fiber­produkt durchzuführen.

 

Literatur

[1] Bartholomé, E. (Hrsg.); Ullmann, F. (Hrsg.): Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie Band 23: Textilhilfsmittel bis Vulkanfiber. Weinheim: Wiley-VCH, 1983.
[2] Vieweg, R. (Hrsg.); Becker, E. (Hrsg.): Kunststoff-Handbuch Band III: Abgewandelte Naturwerkstoffe: Herstellung, Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendung. München: Carl Hanser, 1965.
[3] Wittchen, B.; Josten, E.; Reiche, T.: Holzfachkunde. 4., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage. Wies­baden: B.G. Teubner, 2006.
[4] Penning, B.; Walther, F.; Dumke, D.; Künne, B.: Einfluss der Verformungs­geschwindigkeit und des Feuchtegehaltes auf das quasistatische Verformungs­verhalten technischer Vulkanfiber. MP Materials Testing 55, 4 (2013).

 

Autor

Über den Autor

Roman Mittendorf ist wissenschaftlicher Angestellter am Fachgebiet Maschinenelemente (ME) an der Technischen Universität Dortmund. roman.mittendorf@tu-dortmund.de Prof. Dr. Bernd Künne ist Leiter des Fachgebiets Maschinenelemente (ME) an der Technischen U