Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Forschungsverbund Biopolymere; Teilvorhaben 8A: Erhöhung der thermischen Stabilität cellulosischer Spinnfasern - Mechanismen, Laborversuche und Compositherstellung

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)
14476 Potsdam
Geiselbergstr. 69
Kontakt
Dr. rer. nat. Johannes Ganster
Tel: +49 331 568-1706
E-Mail: johannes.ganster@iap.fraunhofer.de
FKZ
22027008
Anfang
01.06.2009
Ende
31.05.2014
Aufgabenbeschreibung
In diesem Vorhaben steht die stoffliche Verwertung des nachwachsenden Rohstoffs Cellulose im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten. Zusammen mit Hemicellulose und Lignin ist Cellulose einer der drei Hauptbestandteile von Pflanzen bzw. Holz und bietet neben seiner potentiell hohen Verfügbarkeit ferner den prinzipiellen Vorteil, dass ihre vermehrte Nutzung keine unmittelbare Konkurrenzsituation zur Nahrungsmittelerzeugung schafft. Der Untersuchungsschwerpunkt liegt auf Cellulosischen Spinnfasern (Rayon), die verglichen mit thermoplastischen technischen Fasern wie Polyester (PET), Polyvinylalkohol (PVOH) und Polyamid (PA) zum einen nicht-schmelzend sind und zum anderen eine sehr gute thermische Widerstandsfähigkeit und Formbeständigkeit bis 120°C aufweisen. In Verbindung mit ihren ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften werden sie deshalb als Verstärkungsfasern in Hochgeschwindigkeitsreifen und anderen Elastomerbauteilen eingesetzt. Ziel dieses Teilvorhabens ist die Entwicklung von Cellulosefasern mit weitergehender thermischer Stabilität. Damit könnten die Einsatzgebiete derartiger Fasern um Verbundmaterialien mit erhöhter Verarbeitungstemperatur von 200-280°C und Anwendungen mit erhöhter Dauergebrauchstemperatur >135°C erweitert werden und mit dem mechanischen Eigenschaftsprofil konventioneller PA-Glasfaser-Komposite gleichziehen. Während in einer ersten Phase des Projektes die weitergehende thermische Stabilisierung der Cellulose-Fasern durch Applikation von wirksamen Additiven an der Faser selbst erfolgen soll, geht es in einer zweiten Phase darum wirkungsvolle Additive zu identifizieren, die erst während der Compoundierung von PA mit Rayon zugegeben werden.
Ergebnisdarstellung
In der ersten Phase des Projektes konnten durch ein umfassendes Screening zwei Stabilisator-Substanzen identifiziert werden, die der thermisch bedingten Reduktion der mechanischen Faser-Eigenschaften, sowie der Verfärbung effizient entgegenwirken. Eine Behandlung bzw. Imprägnierung der Cellulosefasern mit den identifizierten Stabilisatoren im Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab (Cordenka GmbH) wurde ebenso erfolgreich umgesetzt, wie die Anwendung dieser "Thermofasern" in Kompositmaterialien auf Basis von Polymilchsäure (PLA), Polypropylen (PP) und Polyamid 6. Die neu entwickelten "Thermofasern" zeigten nach einer Alterung für 1000 h bei 135°C eine Restbruchfestigkeit von 90 %, die unbehandelten Fasern hingegen nur 15 %, gegenüber ungealterten Fasern. In der zweiten Phase des Projektes wurde ein umfangreiches Screening durchgeführt um Additive zu identifizieren, die sich sowohl positiv auf die mechanischen Eigenschaften als auch auf die Verfärbung von Polyamid 6.10 Rayon Kompositen auswirken. Unter besonderer Berücksichtigung der Wirkmechanismen "Haftvermittlung", "Neutralisation von sauren Verbindungen", "Abschirmung der Faseroberfläche", "Hydrolysestabilität" und "Antioxidantien" wurden Additive ausgewählt und bei der Compoundierung eingesetzt. Zu jedem der fünf Konzepte konnten wirksame Additive identifiziert werden, wobei die aussichtsreichsten Substanzen auch im Rahmen einer Maßstabsvergrößerung auf ein praxisnahes industrierelevantes Compoundierverfahren getestet wurden. Entsprechende Materialien zeichneten sich durch eine 20-35 %-ige Steigerung der Kompositfestigkeiten und -steifigkeiten sowie durch einen 60 %-igen Zuwachs der Kerbschlagzähigkeiten aus. Zudem wurde ein deutlicher Farbstabilisierungseffekt beobachtet.

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