Verbundwerkstoffe, die das elastische Verhalten von Fasern mit der Zähigkeit einer sie einbettenden Polymermatrix kombinieren, haben sich in Leichtbaustrukturen der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Automobilbau sowie in der Sportartikel- und Freizeitindustrie bewährt. Um nun weitere Anwendungsbereiche zu erschließen, müssen ihre Produktion, Nutzung und Entsorgung umweltverträglicher im Vergleich zu konkurrierenden Werkstoffen werden; das ist bei der Verwendung petrochemischer Kunststoffe problematisch und nur mit technischem Aufwand möglich. Kompostierbare Faserverbunde sind darum ein aktuelles Forschungsthema am Institut für Strukturmechanik der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig.

Der von uns als Bioverbund bezeichnete Konstruktionswerkstoff besteht aus Biopolymeren als Matrix, in die Naturfasern gerichtet eingelagert sind (Bild 2); es sind aber alle Kombinationen von synthetischen und natürlichen Polymeren wie auch synthetischen und natürlichen Fasern zu untersuchen (siehe auch Spektrum der Wissenschaft, Juni 1994, Seite 102).

Die Matrix leitet äußere Kräfte zu den Fasern, schützt deren Oberfläche und behindert sich ausbreitende Risse. Natürliche Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrüben, Kartoffeln, Mais oder Cellulose (die auch aus Altpapier gewonnen wird) haben wir auf ihre Eignung hin untersucht. Dabei konnten wir auf kommerzielle Produkte zurückgreifen: Kompostierbare Tüten und Behälter, also einfacher aufgebaute Objekte ohne Faseranteil, fertigt man bereits aus marktgängigen Rohprodukten wie Cellulosediacetat (Bioceta), dessen Festigkeit vergleichbar ist mit der bewährter Matrixsysteme wie Epoxydharz (EP) oder Polyvinylchlorid (PVC); allerdings ist es dehnbarer und weicher (Bild 3).


Tragende Struktur aus Pflanzenfasern

Während Matrices vor allem für Bindung und Zusammenhalt sorgen, tragen Fasern mechanische Belastungen wie Druck, Zug oder Stauchung. In Skiern und Automobilteilen setzt man bislang vor allem Fasern aus Glas ein, doch solche aus Flachs, Hanf, Ramie und Baumwolle haben ebenfalls bei geringem Gewicht gute bis sehr gute Festigkeiten (Bild 4).

Untersuchungen des mechanischen Verhaltens ausgewählter Einzelfasern, Garne und Gewebe haben gezeigt, daß sich insbesondere die Ramiefaser als Verbundkomponente eignet. Sie wird aus den Stengeln einer subtropischen Nesselart (Boehmeria nivea) gewonnen und wurde schon von den Ägyptern vor etwa viertausend Jahren zu Textilien verarbeitet. Die Hauptanbaugebiete liegen in China, Brasilien und den Philippinen.

Die bis zu zwei Meter langen Stengel der wie eine großblättrige Brennessel aussehenden Pflanze lassen sich unter optimalen Bedingungen drei- bis sechsmal im Jahr ernten; die Pflanzen bleiben bis zu 25 Jahre lang ertragreich. Ihre Blätter ergeben zudem ein Viehfutter, die Reste der Stengel, die Rinde und das Mark einen Dünger. Durch das ausgeglichene Klima in den subtropischen Anbauländern bleibt die Qualität der Fasern immer gleich, während die heimischer Pflanzen stark variiert.

Hanffasern wären wohl ebenfalls gut geeignet, sind aber wegen möglichen Drogenmißbrauchs des von der Pflanze abgesonderten Harzes (Haschisch oder Marihuana) in Deutschland zur Zeit nicht verfügbar.


Vergleich mit glasfaserverstärktem Kunststoff

Die Qualität eines Faserverbundes wird wesentlich von einer guten Haftung in der Grenzfläche und einer vollständigen, blasenfreien Benetzung bestimmt; diese wiederum wird durch die Viskosität der Matrix, die Faseroberfläche und in begrenztem Maße auch durch Formen und Abmessungen der Fasern beeinflußt. Unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigen die von Ramie, eingebettet in einer Cellulosematrix, einen bohnenförmigen Querschnitt und sind von dem Bio-polymer vollständig umschlossen. Zudem ist die Faser hohl und damit für den Leichtbau besonders geeignet (Bild 5).

Wir haben Prüfkörper aus Schichten von eingebetteten Fasern hergestellt und an solchen unterschiedlich aufgebauten Laminaten die Festigkeit und Steifigkeit unter konstanter Belastung untersucht; diese Werte wurden mit denen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) verglichen (Bild 1). Ramie- und Flachsfaserverbunde sind demnach etwa halb so steif, der Hanfverbund sogar vergleichbar; die Festigkeiten der Bioverbunde betragen etwa 60 Prozent derer von GFK. Demnach könnte man wohl in einigen Bereichen die bewährten Glasfaser- durch Bioverbunde ersetzen.


Kompostierung

Der Bioverbund muß die geforderten mechanischen Eigenschaften über die gesamte Einsatzdauer eines Produkts gewährleisten. Erst danach dürfen Umwelteinflüsse wie ultraviolette Strahlung, Temperaturschwankungen und Feuchte den Zerfall einleiten. Dieser Abbau muß zudem steuerbar sein; Enzyme oder Mikroorganismen wie Bakterien sollen das Material also in einer Kompostieranlage oder Hauskompostiertonne zerstören, wo deren Konzentration, die Temperatur, der pH-Wert und die Feuchtigkeit die Abbaugeschwindigkeit bestimmen.

Untersuchungen zum Abbauverhalten einer Cellulosematrix belegen, daß der Zeitraum dafür mit dem von Eichenblättern vergleichbar ist. So hatten in den Boden eingegrabene Proben, die somit anaerobem Abbau durch Mikroorganismen ausgesetzt waren, nach 17 Monaten nur noch etwa 28 Prozent ihrer Ausgangsmasse, im sogenannten Sturm-Test (dem Abbau unter definierten aeroben Bedingungen in einem Reaktor) waren es noch 39 Prozent.

In Anlehnung an die bewährten Verfahren der Faserkunststofftechnik werden jetzt bei der DLR Technologien zur Herstellung von Bioverbunden entwickelt, untersucht und optimiert. Dafür eignen sich insbesondere die Preßtechnik (dabei werden Fasern in die Matrix eingepreßt), die Laminier- (hier sind es mehrere Schichten davon) und die Wickeltechnologie (dabei werden mit Polymer getränkte Fasern lagenweise auf einen rotierenden Kern gewickelt, um Rohre und Behälter zu fertigen). Es waren nur leichte Modifikationen erforderlich, um diese Verfahren zur probeweisen Bauteilfertigung zu nutzen. So lassen sich außer einfachen Elementen wie Platten und Rohren bereits komplexere Bauteile wie Armaturenbretter für Automobile, Möbel und Verkleidungen aller Art aus biologisch abbaubaren Faserverbundwerkstoffen herstellen.

Diese Werkstoffgruppe bietet zudem ein erhebliches Entwicklungspotential etwa hinsichtlich der Matrices als auch einer gezielten Züchtung von Mikroorganismen, um die Abbaugeschwindigkeit zu steuern.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1995, Seite 87
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