Filterstopfwerk mit integrierter Beleimung für Zellstofffasern

Filterstopfwerk mit integrierter Beleimung für Zellstofffasern

© Fraunhofer IMWS
In die bestehende Anlage zur Inline-Verarbeitung von Zellstofffasern für die Compoundierung soll zusätzlich die Beleimung der Fasern integriert werden.
Schema der Zellstoffanlage mit Filterstopfwerk

Kunststoffe mit Verstärkungsfasern aus Cellulose können eine ökologische Alternative zu Materialien mit Glasfaserverstärkung sein. Für hochwertige Anwendungen müssen die Fasern an die Kunststoff-Matrix angebunden werden. Die Kurt Seume Spezialmaschinenbau GmbH und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS entwickeln zu diesem Zweck ein Filterstopfwerk mit integrierter Faserbeleimung zur Optimierung der Haftung zwischen den Zellstofffasern und dem Kunststoff.

Um anwendungsspezifische Eigenschaften zu erreichen werden thermoplastische Kunststoffe wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und andere mit Fasern verstärkt. Solche Faser-Compounds kommen in Automobilteilen wie Instrumententafeln oder Seitenverkleidungen, in Gehäusen von Elektrogeräten, in Gartenmöbeln, Transportbehältern und anderen Kunststoff-Bauteilen und Anwendungsgebieten zum Einsatz. Die Bauteile sind hoch belastbar und zugleich leicht. Den mit Abstand größten Anteil haben mit Glasfasern verstärkte Compounds.

Zunehmend sind auch Naturfasern als Verstärkungsmaterialien gefragt. Gründe hierfür sind neben dem geringeren spezifischen Compound-Gewicht und dem niedrigeren Werkzeugverschleiß bei der Verarbeitung der Compounds die Vorteile der Naturfasern in der Ökobilanz. Der CO2-Fußabdruck von Naturfasern ist viel geringer als der von Glas- und Mineralfasern. Hinzu kommt, dass bei der Zellstoff-Herstellung die nicht prozessbedingten Emissionen (die prozessbedingten CO2-Emissionen sind vernachlässigbar) durch die Energieerzeugung überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen stammen und daher den CO2-Kreislauf nicht belasten.

Damit das Faser-Compound gute Eigenschaften aufweist, müssen die Fasern mit der Kunststoffmatrix, in die sie eingebettet werden, verbunden sein. Hierfür hat sich der Auftrag einer faser- und kunststoffspezifischen Schlichte auf die Oberfläche der Fasern bewährt. Während bei Glasfasern der Schlichteauftrag unmittelbar nach dem Austritt der Faserfilamente aus der Schmelzewanne mit einem Schlichtebad und somit ohne zusätzlichen Aufwand erfolgen kann, erfordert ein Schlichteauftrag bei Zellstofffasern zusätzliche Prozessschritte, die den Faserstoff teurer machen und daher kommerziell nicht durchgeführt werden.

In ihrem neuen Gemeinschaftsprojekt wollen die Kurt Seume Spezialmaschinenbau GmbH und das Fraunhofer IMWS dies ändern. Sie können dabei auf die Erfahrungen aus einem Vorgängerprojekt bauen. »Wir haben darin gemeinsam mit weiteren Partnern eine Anlage zur effizienten Inline-Verarbeitung von Zellstofffasern für die Compoundierung entwickelt. Sie macht überhaupt erst das kontinuierliche Eintragen der Zellstofffasern in die Polymerschmelze möglich und somit die Herstellung von Zellstoff-PP-Compounds. Wir haben jedoch festgestellt, dass die Eigenschaften der Compounds für anspruchsvolle technische Anwendungen nicht ausreichend waren, weil bisher die Faserschlichte fehlt«, sagt Dr. Michael Busch, der das Projekt am Fraunhofer IMWS leitet.

Kernstück der vorhandenen Inline-Technologie ist ein Filterstopfwerk, das mit einem Luftstrom aus dem Zellstoff einzelne Fasern filtert und in den Compoundier-Extruder transportiert, wo sie in die Kunststoffschmelze eingearbeitet werden. Im nun begonnenen Projekt soll zusätzlich die Faserschlichte in den laufenden Prozess integriert werden. Die Projektpartner setzen dabei auf eine Beleimung der Zellstofffasern. Diese trägt zur Hydrophobierung bei, der Zellstoff nimmt also weniger Wasser auf und integriert sich deshalb besser in die hydrophobe Kunststoffmatrix.

»Die Beleimung der Fasern soll im Filterstopfwerk erfolgen und einen gleichmäßigen Schlichteauftrag auf die vereinzelten Zellstofffasern ermöglichen«, beschreibt Busch den Ansatz. Während die Entwicklung dieser Komponente durch die Seume GmbH erfolgt, übernimmt das Fraunhofer IMWS die materialwissenschaftlichen Untersuchungen zum Einfluss der Faserbeleimung auf die Eigenschaften von Zellstoff-PP-Compounds. Dabei geht es etwa um die Auswahl der auf die Fasern aufzubringenden Schlichten, deren Einfluss auf das Verarbeitungsverhalten und schließlich auf die mechanischen Compound-Eigenschaften. Dazu werden zunächst Referenzkennwerte an Zellstoff-PP-Compounds mit unbeleimten Zellstofffasern ermittelt, dann geeignete Rezepturen für Schlichten identifiziert, schließlich erfolgen Compoundierversuche mit beleimten Zellstofffasern auf einer Technikumsanlage am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ.

»Unser Ziel ist die Herstellung von hochwertigen Zellstofffaser-Compounds mit beleimten Zellstofffasern in einem hocheffizienten Prozess. Wenn das gelingt, eröffnen wir neue Anwendungsfelder für den Einsatz von Zellstofffasern als nachwachsendem Rohstoff und somit für neue, naturfaserverstärkte Kunststoffprodukte, die preislich und in ihrer Performance mit kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen vergleichbar sind, diese in der Ökobilanz allerdings deutlich übertreffen«, so Busch.