Projekt 10611/01

Substitution von Glasfasern in Spritzgießteilen durch Pflanzenfasern – Aufbau einer technologischen Linie

Projektträger

Westspreng GmbH
Gnaschwitzer Str. 4
02692 Gnaschwitz
Telefon: 03591/357-415

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In Spritzgießprodukten werden zur mechanischen Verstärkung an Stelle von Glasfasern Naturfasern eingesetzt. Als Faserlieferanten dienen Öllein, Flachs und Hanf. Es wird eine technologische Linie, be-ginnend mit der landwirtschaftlichen Rohstoffproduktion bis zur Herstellung eines beispielhaften Endproduktes, aufgebaut. Um eine große Anwendungsbreite der Technologie zu gewährleisten, wird herkömmliche Maschinentechnik eingesetzt, die an die spezifischen Erfordernisse der Verarbeitung von Pflanzen-fasern anzupassen ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben umfasst die Teilschritte Rohstoffproduktion, Compoundierung und Spritzgießen. Zur Rohstoffproduktion gehört die gezielte Genotypenwahl, der Anbau, die Bestandesführung und die Optimie-rung der Ernte hinsichtlich Faserreife und -homogenität. Aus dem Erntegut werden Fasern mechanisch isoliert. Im Compoundierungsschritt sind thermoplastische Kunststoffe (Polypropylen = PP, Polyamid = PA) zusammen mit dem Fasermaterial zu einem Granulat zu verarbeiten. Haftvermittlung zwischen Kunststoff und Faser, Begrenzung der Temperaturbelastung der Pflanzenfaser und gleichmäßige Faserdosierung sind Aspekte, für die technologische Lösungen gesucht werden. Unterschiedliche Granulatchargen kommen im Spritzgießprozess zur Verarbeitung, wobei ein marktfähiges Erzeugnis hergestellt wird. Werkstoffprüfungen geben Aufschluss über das Leistungsprofil im Vergleich zum konventionellen Glasfaserprodukt. Die technologische Lösung wird so angelegt, dass sie verallgemeinerungsfähig und für ausgewählte Marktsegmente produktionswirksam ist. Die Arbeiten werden von einer ökologischen und ökonomischen Studie begleitet.Die Umweltrelevanz des Vorhabens ergibt sich aus einer im Vergleich zu Glasfasern ressourcenscho-nenden Faserproduktion (Verbrauch an fossiler Energie, CO2-Bilanz), gesundheitlicher Unbedenklichkeit, geringerer Masse und Abrasivität der Pflanzenfasern sowie der Recyclierbarkeit des Faserverbun-des.


Ergebnisse und Diskussion

In den Teilprojekten wurden folgende Ergebnisse erzielt:
Rohstoffproduktion: Zur Verarbeitung in der Produktionslinie wurden Faserpartien unterschiedlicher Sorten von Flachs, Öllein und Hanf nach großtechnischer Faserisolierung bereitgestellt. Die Produktions-technik orientierte sich an der agronomischen Praxis und der Erstverarbeitung. Der Sortenwahl, Röste und Aufbereitungsstufen entsprechend, wiesen, wie umfangreiche Analysen zeigten, die Partien unterschiedliche physikalische Fasereigenschaften auf. An Einzelfaserpartien wurden weiterhin Längenverteilungen, der Pectin-/Hemizellulose-, Zellulose- und Ligningehalt bestimmt. Teilstudien zu Ursachen der Variabilität von Faserqualität in Abhängigkeit vom Erntetermin (Öllein, Hanf), von Bestandesfraktionen und Röste (Hanf) wurden angefertigt.
Compoundieren: Es wurde eine technologische Lösung zur Herstellung von pflanzenfaserverstärktem Granulat erarbeitet. Sie beruht verarbeitungstechnologisch auf der Zuführung von konfektionierten Pflanzenfasern. Die technologische Entwicklung wurde auf die Verarbeitung von Hanffasern konzentriert. Unter dem Warenzeichen FORPOLENÒHF wurde ein spritzgießfähiges Hanffaser-Polypropylen-Granulat als marktfähiges Erzeugnis entwickelt. Es zeichnet sich gegenüber einem vergleichbaren Glasfaserprodukt durch eine erhöhte Zugfestigkeit und verringerte Schlagzähigkeit aus.
Spritzgießen: Es erfolgte die versuchsweise Verarbeitung und Prüfung von Granulatpartien. Generell gilt für die Spritzgießverarbeitung von pflanzenfaserverstärkten Granulaten, dass eine individuelle Anpassung der Werkzeuge und Verarbeitungsparameter vorzunehmen, die thermische Belastung der Faserkomponente durch geringe Verweilzeiten so gering wie möglich zu halten ist. Die Größe der Einfüllschächte, Tunnelanschnitte und die Art der Angussysteme sind die wesentlichen Komponenten, die einer Adaptation unterliegen. Außerdem sollten Formkonturen aus korrosionsbeständigen Stählen bestehen und Gravuren kräftig ausgeführt werden. Aufgrund des Wasserdampfaufnahmevermögens der Pflanzenfasern sind Trocknungsprozesse in allen Verarbeitungsstufen notwendig.
Produktentwicklung: Die Produktentwicklung geht von einer hohen Zugfestigkeit und einem holzähnlichen Erscheinungsbild aus, berücksichtigt aber auch die eingeschränkte Schlagzähigkeit des Werkstoffs. Designstudien wurden zu translucenten Platten und Knotenverbindungen verschiedener Art angefertigt, aus denen der Entwurf eines lösbaren Verbindungselements für Holzkonstruktionen als Studienobjekt ausgewählt wurde. Hierzu wurden Prototypen angefertigt. Das Produkt diente als Zielobjekt für eine ökologische und ökonomische Bewertung.
Ökologische und ökonomische Bewertung: Die Analyse des Lebensweges anhand des Kumulierten Energieaufwandes und von luftgetragenen Emission zeigt, dass das Hanffaser-PP-Spritzgießprodukt im Vergleich mit einem gleichartigen glasfaserverstärkten Produkt ökologische Vorteile besitzt. Diese resultieren aus der photosynthetischen Vorleistung, insbesondere aber aus seiner geringeren Masse. Das Hanffaserprodukt besitzt einen Kostenvorteil gegenüber dem Glasfaserprodukt.
Das Hauptergebnis der Forschungs- und Entwicklungsarbeit besteht in der Etablierung einer technologischen Lösung zur Herstellung von pflanzenfaserverstärkten Spritzgießprodukten unter den Bedingungen der Produktionspraxis. Sie basiert auf der Prozessanalyse und technologischen Optimierung in den o.g. Teilschritten. Der faserverstärkte Werkstoff zeichnet sich durch gute Zugfestigkeit aus. Die technologische Lösung ist, gemessen an der Leistung vergleichbarer Glasfaserprodukte, ökologisch und ökonomisch sinnvoll. Des weiteren trägt das Vorhaben Modellcharakter zur Erschließung eines Marktsegmentes für den Einsatz des neuen Materials. werkstoffangepasste Produktentwicklungen erschließen neue Einsatzgebiete. Hierzu liegen Produktentwürfe vor. Auf der Grundlage der Studie ist der Marktdurchbruch für hanffaserverstärkte Spritzgießprodukte möglich, zur Optimierung der Produktlinie wurden die Felder weitergehender Forschungs- und Entwicklungsarbeiten identifiziert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Projektarbeit wurden auf der NarossaÒ 2001 und 2002 in Magdeburg (Messe für nachwachsende Rohstoffe und Pflanzenbiotechnologie), auf der naro-tech 2001 in Erfurt (Zweite Fachausstellung für nachwachsende Rohstoffe und Technologien), auf der 44. Jahrestagung der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften 2001 in Bonn, auf dem Innovationsforum Wertschöpfungsketten in der Naturstoffverarbeitung 2001 in Gardelegen und auf dem 5th European Symposium on Industrial Crops and Products 2002 in Amsterdam vorgestellt.


Fazit

Die technologische Linie zur Herstellung von Hanffaser-PP-Spritzgießprodukten ist etabliert. Ein Spritzgießgranulat ist am Markt bereits verfügbar. werkstoffangepasste Produktentwicklungen liegen vor. Der nächste Schritt besteht in der Überführung von Produkten in den Markt. Die Erschließung und Erweiterung eines Marktsegmentes für pflanzenfaserverstärkte Spritzgießprodukte und die Verfahrensoptimierung sollten folgen.