TY - THES

T1 - Herstellung und Charakterisierung von Verbundwerkstoffen aus thermoplastischen Biopolymeren und pflanzlichen Kurzfasern

AU - Gerstbauer, Ferdinand

N1 - gesperrt bis null

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Die vorliegende Masterarbeit befasste sich mit der Herstellung, Verarbeitung und Charakterisierung von naturfaserverstärkten, thermoplastischen Biopolymeren (Biocomposites). Als Matrixmaterialien wurden dabei Polybutylensuccinat (PBS) sowie ein Blend bestehend aus einem Polyhydroxyalkanoat und Polybutylenadipat-co-terephthalat (PHA/PBAT) betrachtet. Die in Form technischer Kurzfasern eingesetzten Faserarten waren Flachs, Hanf, Kokos und Sisal, wobei die Fasern teilweise auch einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurden, welche hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Verbesserung der Faser-Matrix-Anbindung untersucht wurde. Zur Herstellung der Biocomposites wurden ein eigenes Verfahren entwickelt und eine entsprechende Prozesstechnik etabliert, welche sowohl die Herstellung von Naturfaser/Biopolymer-Pellets sowie das Compoundieren der Polymermatrix mit den Pellets umfassen. Der Fasergehalt wurde theoretisch zwischen 10 und 30 Vol.-% variiert, wobei die Bestimmung des tatsächlichen Fasergehalts über thermogravimetrische Analysen erfolgte. Aufgrund einer Überlagerung des thermischen Abbaus von Fasern und Matrixmaterial wurde hierzu eine eigene Auswerte- und Berechnungsmethode entwickelt. Der tatsächliche Fasergehalt lag innerhalb von ±10 % des theoretisch beigemengten Anteils, womit die ausgezeichnete Wirkungsweise der Prozesstechnik unterstrichen wurde. Die Naturfasern wirkten sich signifikant auf das Kristallisationsverhalten der Matrixmaterialien aus, indem sie Rekristallisationsvorgänge sowie eine verschiedentlich ausgeprägte Beeinflussung des Kristallisationsgrads bewirkten. Die Messung mechanischer Kennwerte erfolgte an aus plattenförmigen Halbzeugen hergestellten Prüfkörpern. Ein steigender Fasergehalt der Biocomposites führte im Allgemeinen zu einer Erhöhung der Steifigkeit bei gleichzeitiger Abnahme der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung. Ebenso reduzierte sich die Schlagzähigkeit mit steigendem Fasergehalt der Biocomposites. Es wurde kein expliziter Zusammenhang zwischen der Faserbehandlung, der Faser-Matrix-Anbindung und den mechanischen Kennwerte festgestellt, wenngleich aus den Ergebnissen eine im Ansatz eigenschaftsverbessernde Wirkung abzuleiten ist. Die entwickelten Biocomposites erreichen hinsichtlich anwendungsrelevanter mechanischer Eigenschaften noch nicht das Niveau konventioneller thermoplastischer Composites, wie z. B. glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Allerdings wird durch die Verstärkung mit Naturfasern der potenzielle Einsatzbereich der Matrixmaterialien signifikant in Richtung strukturtragende Komponenten erweitert.

AB - Die vorliegende Masterarbeit befasste sich mit der Herstellung, Verarbeitung und Charakterisierung von naturfaserverstärkten, thermoplastischen Biopolymeren (Biocomposites). Als Matrixmaterialien wurden dabei Polybutylensuccinat (PBS) sowie ein Blend bestehend aus einem Polyhydroxyalkanoat und Polybutylenadipat-co-terephthalat (PHA/PBAT) betrachtet. Die in Form technischer Kurzfasern eingesetzten Faserarten waren Flachs, Hanf, Kokos und Sisal, wobei die Fasern teilweise auch einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurden, welche hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Verbesserung der Faser-Matrix-Anbindung untersucht wurde. Zur Herstellung der Biocomposites wurden ein eigenes Verfahren entwickelt und eine entsprechende Prozesstechnik etabliert, welche sowohl die Herstellung von Naturfaser/Biopolymer-Pellets sowie das Compoundieren der Polymermatrix mit den Pellets umfassen. Der Fasergehalt wurde theoretisch zwischen 10 und 30 Vol.-% variiert, wobei die Bestimmung des tatsächlichen Fasergehalts über thermogravimetrische Analysen erfolgte. Aufgrund einer Überlagerung des thermischen Abbaus von Fasern und Matrixmaterial wurde hierzu eine eigene Auswerte- und Berechnungsmethode entwickelt. Der tatsächliche Fasergehalt lag innerhalb von ±10 % des theoretisch beigemengten Anteils, womit die ausgezeichnete Wirkungsweise der Prozesstechnik unterstrichen wurde. Die Naturfasern wirkten sich signifikant auf das Kristallisationsverhalten der Matrixmaterialien aus, indem sie Rekristallisationsvorgänge sowie eine verschiedentlich ausgeprägte Beeinflussung des Kristallisationsgrads bewirkten. Die Messung mechanischer Kennwerte erfolgte an aus plattenförmigen Halbzeugen hergestellten Prüfkörpern. Ein steigender Fasergehalt der Biocomposites führte im Allgemeinen zu einer Erhöhung der Steifigkeit bei gleichzeitiger Abnahme der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung. Ebenso reduzierte sich die Schlagzähigkeit mit steigendem Fasergehalt der Biocomposites. Es wurde kein expliziter Zusammenhang zwischen der Faserbehandlung, der Faser-Matrix-Anbindung und den mechanischen Kennwerte festgestellt, wenngleich aus den Ergebnissen eine im Ansatz eigenschaftsverbessernde Wirkung abzuleiten ist. Die entwickelten Biocomposites erreichen hinsichtlich anwendungsrelevanter mechanischer Eigenschaften noch nicht das Niveau konventioneller thermoplastischer Composites, wie z. B. glasfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Allerdings wird durch die Verstärkung mit Naturfasern der potenzielle Einsatzbereich der Matrixmaterialien signifikant in Richtung strukturtragende Komponenten erweitert.

KW - Biopolymer

KW - pflanzliche Naturfasern

KW - Kurzfasern

KW - Biocomposite

KW - Thermoplast

KW - Polybutylensuccinat

KW - Polyhydroxyalkanoat

KW - Polybutylenadipat-co-terephthalat

KW - Flachs

KW - Hanf

KW - Kokos

KW - Sisal

KW - Pelletieren

KW - Compoundieren

KW - Fasergehalt

KW - thermogravimetrische Analyse

KW - Kristallisation

KW - thermische Eigenschaften

KW - mechanische Eigenschaften

KW - biopolymer

KW - vegetable natural fibres

KW - short fibres

KW - biocomposite

KW - thermoplastic

KW - poly(butylene succinate)

KW - polyhydroxyalkanoate

KW - poly(butylene adipate-co-terephthalate)

KW - flax

KW - hemp

KW - coir

KW - sisal

KW - pelletizing

KW - compounding

KW - fibre fraction

KW - thermogravimetric analysis

KW - crystallization

KW - thermal properties

KW - mechanical properties

M3 - Masterarbeit

ER -