Re­cy­cling & Re-Use Po­ten­ti­a­le

Herstellung und Charakterisierung von Wood-Plastic-Composites (WPC) mit einer Matrix aus thermoplastischem Elastomer (TPE) zur Produktion von Holz-WPC-Verbundstrukturen.

Betreuer:

  1. Betreuer:                  Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer
  2. Betreuer:                  Prof. Dr. rer. nat. Thomas Tröster
  3. Praxispartner:         Günter Voß, Klimaschutzmanager Stadt Lichtenau
  4. Industriepartner:   N.N.

Motivation

Der Werkstoff Wood-Plastic-Composites (WPC) ist nun schon seit Jahren fester Bestandteil der kunststoffverarbeitenden Industrie weltweit. Der Verbund ist eine Kombination aus Holzfasern und einer Kunststoffmatrix. Durch diese Symbiose können verbesserte haptische Eigenschaften und eine gesteigerte Witterungsresistenz erzielt werden. Grundsätzlich werden WPC auf Basis einer kostengünstigen Thermoplast–Matrix, wie z.B. Polypropylen oder Polyethylen, extrudiert oder spritzgegossen. Kunststoffe lassen sich in die Teilgruppen Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere und Thermoplastischen Elastomere (TPE) einteilen. TPE vereinen elastomerartige Eigenschaften mit den Verarbeitungsmerkmalen der Thermoplaste. Aufgrund dessen sind TPE sehr leicht und kostengünstig verarbeitbar. Eine Herstellung eines WPC auf Basis eines Thermoplastischen Elastomers (TPE) ist bisher in nur sehr geringem Maße erforscht. [DiKr18, NEH04] beschreiben das Pressen von WPC auf Basis einer Matrix aus thermoplastischem Polyurethan (TPU, Weichsegmente aus Polyester bzw. Polyether) bzw. thermoplastischen Vulkanisaten (TPV). Eine Untersuchung zur Spritzgießtechnologie von WPC auf Basis von TPE ist bis dato nicht bekannt. Diese Forschungslücke soll in diesen Forschungsanstrengungen geschlossen werden, sodass ein kostengünstiges und einfach verarbeitbares WPC mit guten optischen, haptischen und mechanischen Eigenschaften (Dämpfungsverhalten) sowie erhöhtem Recyclingpotential generiert und der kunststoffverarbeitenden Industrie zur Verfügung gestellt werden kann. 

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuen Werkstoffes in der Materialklasse Wood-Plastic-Composite sowie die Charakterisierung der Materialeigenschaften für eine erfolgreiche Anwendung im Spritzgießprozess. Insbesondere das Fließverhalten des holzfaserverstärkten, thermoplastischen Elastomers sowie die Einstellung der Faserlängenverteilung können hierbei als charakteristische Größen für einen erfolgreichen Spritzgießprozess eruiert werden. Aufgrund des hohen stofflichen Recyclingpotentials der TPE und der Holzfasern, soll eine umfassende Untersuchung hinsichtlich des Recyclings von Holzfasern (speziell Spanplatten o.ä.), TPE sowie WPC durchgeführt und der daraus folgende Einfluss auf die Produktqualität quantifiziert werden. Um abschließend eine Verbundstruktur für die Anwendung in der Möbelbranche, im Automotive oder Sportindustrie (Fahrrad- oder Nordic-Walking-Stock-Griff) zu ermöglichen, ist eine ausgiebige Untersuchung der Oberflächencharakteristika unabdingbar und soll eine weitere Säule für die abschließende Entwicklung eines Technologieträgers sein.

Vorgehen / Methoden:

Zur Umsetzung werden zunächst geeignete TPE und Fasertypen evaluiert und anschließend compoundiert. Innerhalb des Compoundierprozesses werden die Thermoplastischen Elastomere mit den Fasern vermischt und granuliert. Hierbei liegt der Fokus auf der Zusammensetzung des Compounds hinsichtlich Fasergehalt, notwendigen Haftvermittlergehalt und Matrixgehalt sowie dem Feuchtegehalt der Fasern. Anhand des produzierten Compounds soll mittels einer Soxhlet-Extraktion die Faser von der Polymerkomponente getrennt und anschließend eine Faserlängenmessung durchgeführt werden. Eine weitere Ermittlung von thermodynamischen, rheologischen und hygroskopischen Kennwerten ist für die Untersuchung des Spritzgießprozesses unabdingbar. Hierbei sollen insbesondere verschiedene Verfahrensparameter evaluiert und entsprechende Füllstudien durchgeführt werden. Anhand von spritzgegossenen Schulterstäben werden mechanische Kennwerte hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfungsverhalten in Abhängigkeit des Alterungszustandes bzw. des Feuchtegehalts aufgenommen. Zur Evaluation des Materials für den anwendungsorientierten Einsatz werden Langzeitabriebtests durchgeführt und die Topographie analysiert. Als weiterer Aspekt der Forschungsanstrengungen soll das Recyclingpotential der Materialien untersucht werden. Hierzu werden alle Komponenten (TPE, Fasermaterial, WPC) regranuliert und dem Spritzgießprozess zugeführt. Der Fokus liegt hierbei auf dem veränderten Füllverhalten, der Faserverteilung im Bauteil sowie den mechanischen Kennwerten.

Literatur

[DiKr18]

Diestel, S.; Krause A.: „Wood-based composites with thermoplastic polyurethane as matrix polymer“. In: Journal of Applied Polymer Science, Wiley Periodicals (Inc.), 2018.

[NEH04]

Nagatani, A.; Endo, T.; Hirotsu, T.; Furukawa M.: „Preparation and Properties of Cellulose-Olefinic Thermoplastic Elastomer Copmosites“. In: Journal of Applied Polymer Science, Vol. 95, pp. 144-148, Wiley Periodicals (Inc.), 2005.