Naturfaserverstärkte Kunststoffe - Auswirkung von Spritzgussparametern und Haftvermittler-Einsatz auf die mechanischen Eigenschaften

Der Anteil faserverstärkter Kunststoffe in den entsprechenden industriellen Endanwendungen ist seit Jahren kontinuierlich gewachsen. Hierbei spielt das Leichtbaupotential der Kunststoffe, verbunden mit den aufgrund der Faserverstärkung erhöhten mechanischen Eigenschaften, eine entscheidende Rolle. Besonders durch die Verwendung von Naturfasern in Standardapplikationen wird hierbei ein großes Potential eröffnet, da die Naturfasern im Vergleich zu den, industriell in hohem Maße verwendeten Glasfasern eine geringere Dichte haben und vergleichbare spezifischen mechanischen Fasereigenschaften erhalten werden können. Dennoch beschränken sich aktuelle Anwendungen der naturfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffe bislang hauptsächlich auf Strukturen mit geringem Leistungspotential. Diesem Umstand liegt die Tatsache zugrunde, dass bislang nur niedrige mechanische Verbundeigenschaften erzielt werden können. Bei Verwendung von Naturfasern in thermoplastischer Matrix muss die Kompatibilisierung zwischen der polaren Faser und den verwendeten, überwiegend unpolaren Matrices hergestellt werden. Dies wird durch Zugabe von Haftvermittler-Systemen realisiert, die mittels chemischer Reaktion die Faseroberfläche modifizieren und so die Kompatibilität der Materialien untereinander positiv beeinflussen. So wird beispielsweise im Polypropylen das Maleinsäureanhydrid–gepfropfte Polypropylen (MAPP) verwendet, welches einerseits eine chemische Bindung zwischen Faser und Haftvermittler generiert. Andererseits dient der Polypropylenstrang des MAPPs zur physikalischen Wechselwirkung mit der umgebenden Matrix. Allerdings beeinflussen Prozesse, beispielweise die Verarbeitung durch eine Düse, die Faser, da es aufgrund des Naturfaseraufbaus hierbei zu einem Aufspleißen der Fasern kommen kann. Durch den geringeren Faserdurchmesser kann somit ein höheres Aspektverhältnis erhalten werden, was wiederum zu besseren mechanischen Eigenschaften im Compound führen sollte. Allerdings wird durch den Auspleißvorgang gleichzeitig die Gesamtoberfläche der Faser erhöht, wobei ein Großteil dieser Oberfläche unmodifiziert vorliegt und somit keine Kraftübertragung gewährleisten kann. Innerhalb dieses Beitrages wird die Auswirkung des Spritzgussprozesses auf das Aspektverhältnis der Verstärkungsfasern vor und nach einem Injektionsprozesses, der Effekt des Düsendurchmessers und die Verwendung einer neuen Prozessdüse beleuchtet. Ebenso werden die resultierenden mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Verbundwerkstoffe betrachtet. Weiterhin wird ein Ausblick auf die Verwendung neuer Haftvermittlungssysteme gegeben, deren Wirkweise im Gegensatz zum MAPP auf physikalischen bzw. reversiblen Wechselwirkungen zwischen den Fasern und der umgebenden Matrix beruht und die Effekte werden direkt mit einem MAPP–Haftvermittlungssystem verglichen. Es wird gezeigt, dass mit einem entsprechenden System mechanische Werte erhalten werden können, die diejenigen des MAPP-Systems um 20 % übersteigen.