BIOVERBUNDWERKSTOFFE Naturfaserverstärkte Kunststoffe NFK und Holz-Polymer-Werkstoffe WPC - Naturfaserverstärkte Kunststoffe NFK ...
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biowerkstoffe.fnr.de
BIOVERBUNDWERKSTOFFE
Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)
und Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC)
KUNSTSTOFFE
WERKSTOFFE
IMPRESSUM Herausgeber Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) OT Gülzow, Hofplatz 1 18276 Gülzow-Prüzen Tel.: 03843/6930-0 Fax: 03843/6930-102 info@fnr.de www.fnr.de Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Autoren Dipl-Phys. Michael Carus und Dipl.-Ing. Dr. Asta Partanen (nova-Institut GmbH) Redaktion Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Abteilung Öffentlichkeitsarbeit Bilder Titel: Four Motors/FotoFlach Gestaltung/Realisierung www.tangram.de, Rostock Druck MKL Druck GmbH & Co. KG, Ostbevern Gedruckt auf 100 % Recyclingpapier mit Farben auf Pflanzenölbasis Bestell-Nr. 227 3., unveränderte Auflage FNR 2019
BIOVERBUNDWERKSTOFFE Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) und Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC)
©© FNR/Michael Hauri
©© FNR/Hardy Müller
INHALT
1 Naturfaserverstärkte Kunststoffe im Wandel der Zeit –
am Beispiel Automobilindustrie 4
2 Bioverbundwerkstoffe 6
2.1 Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) 7
2.2 Holz-Polymer-Werkstoffe (WPC) 8
3 Die Rohstoffe: Kunststoffe, Biokunststoffe, Naturfasern,
Holz und Bio-Carbonfasern 9
3.1 Bewährte petrochemische Kunststoffe 9
3.2 Innovative Biokunststoffe 10
3.3 Starke Naturfasern 11
3.4 Bewährtes Holz: Holzmehl und Holzfasern 17
3.5 Zellulosefasern – im Aufschwung 19
3.6 Bio-Carbonfasern – High-Tech aus Biomasse 20
4 Herstellungsverfahren – viele Optionen für Bioverbundwerkstoffe 21
4.1 Form- und Fließpressen mit Naturfasern – ein neuer, attraktiver Werkstoff 21
4.2 WPC-Extrusion – Erfolgsgeschichte in der Bauindustrie 26
4.3 Naturfaserspritzgießen – ein Bereich mit großem Marktpotenzial 29
4.4 3D-Druck – für vielfältige Formen und kleine Serien 32
4.5 Resin-Transfer-Moulding (RTM) – für hochbelastete Naturfaser-Bauteile 33
4.6 Weitere Verfahren für neue Anwendungsfelder 34
2
©© FNR/Michael Hauri
©© FNR/Hardy Müller
5 Anwendungen und Marktzahlen 36
5.1 Bioverbundwerkstoffe – aktuelle Marktsituation 36
5.2 Naturfaser- und holzfaserverstärkte Kunststoffe in der europäischen
Automobilindustrie 37
5.3 Der WPC-Markt 39
5.4 WPC und NFK in Spritzgieß-Serienproduktionen – wachsendes Interesse
bei der Industrie 42
6 Potenziale für naturfaserverstärkte Kunststoffe und
Holz-Polymer-Werkstoffe 45
7 Ansprechpartner und Internet-Links 47
8 Glossar 48
9 Literatur und weitere Informationen 51
3
1 NATURFASERVERSTÄRKTE
KUNSTSTOFFE IM WANDEL DER ZEIT –
AM BEISPIEL AUTOMOBILINDUSTRIE
Naturwerkstoffe waren über Jahrtausende Im 20. Jahrhundert entwickelten Chemiker
die primären Materialien der Menschen. Bindemittel, mit deren Hilfe Naturfasern zu
Holz diente zum Haus- und Schiffbau, stabilen Bauteilen verarbeitet und der jun-
Flachs- und Hanffasern wurden zu Tauen gen Automobilindustrie zugänglich gemacht
und technischen Textilien, wie Segel, Ge- werden konnten. Henry Ford präsentierte
treidesäcke und Feuerwehrschläuche, ver- 1941 ein Fahrzeug, dessen Karosserie weit-
arbeitet. In der Neuzeit und während der gehend aus harzgebundenen Hanffasern
industriellen Revolution kamen weitere An- bestand.
wendungsgebiete hinzu.
Ab 1950 waren mit Phenolharz gebunde-
ne Holz- und Baumwollfasern lange Zeit
wichtige Werkstoffe für Kraftfahrzeuge. In
Ostdeutschland bestand die Karosserie
des Trabants aus einem Duroplast, das mit
Baumwollfasern verstärkt war, daher auch
der Spitzname „Plastikbomber“. Aber auch
der westdeutsche Fahrzeugbau setzte auf
nachwachsende Rohstoffe: So fertigte die
zur Borgward-Gruppe gehörende Lloyd Ma-
schinenfabrik in Bremen die Karosserie ihrer
Modelle Lloyd P 300 und 400 Anfang der
1950er-Jahre aus mit Kunstleder bezoge-
nem Sperrholz – wofür der Volksmund wie-
derum die Bezeichnung „Leukoplastbom-
ber“ erfand. Mitte der 1950er-Jahre wurde
©© Michal Durinik/Shutterstock.com
bei Lloyd das Sperrholz durch Stahl ersetzt,
der Trabant hingegen blieb dem Baumwoll-
Phenolharz-Konzept bis zu seinem letzten
Baujahr 1990 treu.
Heute werden noch viele LKW-Fahrerkabi-
nen aus Baumwollfasern und Phenolharzen
Trabant produziert.
4
©© Four Motors/BRfoto
Bioconcept-Car
Während in den 1950er und 1960er-Jah- Ein Beispiel hierfür ist das Bioconcept-Car –
ren der Einsatz von naturfaserverstärkten ein Rennwagen, bei dem mehrere Karosse-
Kunststoffen seine Ursache in der Material riebauteile aus naturfaserverstärkten Kunst-
knappheit der Nachkriegszeit bzw. der DDR stoffen hergestellt sind. Nachdem sich diese
hatte, werden Naturfasern heute eingesetzt Bauteile unter den harten Bedingungen auf
bzw. erforscht, um genau diese Materialien der Rennstrecke etabliert haben, wird nun
zu ersetzen. Zudem macht ihr großes Leicht- an der Umsetzung des Konzepts in die Se-
baupotenzial sie hochinteressant für die rienproduktion gearbeitet.
Entwicklung moderner kraftstoffsparender
Autos und für die Elektromobilität. Ein wei-
terer Pluspunkt von Flachs, Hanf, Jute, Kenaf
und Co. ist ihre geringere Splitterneigung,
die bei Unfällen und bei der Verarbeitung
von Vorteil ist.
Bei Armaturenbrettern, Kofferraumausklei-
dungen und Tür- und Säulenverkleidungen
greifen Autobauer deshalb vor allem im
Premium-Segment schon seit Jahren auf Na-
turfasern als Verstärkungsmaterial zurück.
Im Außenbereich haben sich naturfaserver-
stärkte Kunststoffe noch nicht durchgesetzt,
werden hier jedoch intensiv erforscht und
erprobt.
5
2 BIOVERBUNDWERKSTOFFE
Ein Verbundwerkstoff oder Kompositwerk- petrochemische Kunststoffe bezeichnet wer-
stoff (engl. Composite) ist ein Werkstoff, der den. Werden nachwachsende Rohstoffe für
aus zwei oder mehr miteinander verbunde- die Herstellung eingesetzt, spricht man von
nen Materialien besteht. In dieser Broschüre bio-basierten Kunststoffen (kurz: Biokunst-
geht es dabei vor allem um Faserverbund- stoffen) (s. Kap. 3.2).
werkstoffe. Sie bestehen aus einer Kunst-
stoff-Komponente, der sogenannten Matrix, Bioverbundwerkstoffe liegen dann vor,
und einer Faser-Komponente. In der Regel wenn mindestens eine der beiden Haupt-
sind Faserverbundwerkstoffe deutlich steifer komponenten (Matrix und Fasern) bio-ba-
und fester als ihre Einzelkomponenten. siert ist, d. h. auf Basis von Biomasse her-
gestellt wurde.
Kunststoffe bestehen aus langkettigen che-
mischen Verbindungen (Polymere), die aus Im Folgenden werden die beiden wichtigs-
einzelnen sich wiederholenden Bausteinen, ten Gruppen der Bioverbundwerkstoffe, die
den sog. Monomeren zusammengesetzt naturfaserverstärkten Kunststoffe (NFK) und
sind, und in linearen oder verzweigten Mo- die Holz-Polymer-Werkstoffe – international
lekülen angeordnet sein können. Hergestellt Wood-Plastic-Composites (WPC) genannt –
werden sie in der Regel aus fossilen Roh- näher vorgestellt.
stoffen, wie z. B. Erdöl, sodass sie auch als
Bioverbundwerkstoffe
Naturfasern Naturfaserverstärkte
Hanf, Flachs, Jute, Kenaf, Kunststoffe (NFK)
Sisal, Abaka, ...
(Bio-basierte)
Kunststoffe
Holzmehl und -fasern Holz-Polymer-
Werkstoffe (WPC)
Quelle: FNR nach Carus & Eder et al. (2015)
Abb. 2.1: Bioverbundwerkstoffe im Überblick
6
2.1 Naturfaserverstärkte und ökologischen Eigenschaften attraktiv,
Kunststoffe (NFK) sondern weisen im Bauteilkonzept bereits
ökonomische Vorteile gegenüber den klassi-
Unter naturfaserverstärkten Kunststoffen schen faserverstärkten Kunststoffen, wie z. B.
(NFK) werden Werkstoffe verstanden, die glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), auf.
aus einem fossil- oder bio-basierten Kunst-
stoff bestehen, der seine Stabilität durch ein- Hinter dem Begriff NFK stehen unterschied-
gearbeitete Naturfasern erhält. Bauteile aus liche Verarbeitungsprozesse. Mit einem
NFK weisen hohe Steifigkeiten und Festig- Marktanteil von über 90 % ist das Formpres-
keiten sowie eine geringe Dichte auf. Einfach sen das bislang erfolgreichste Verfahren, bei
gesagt: Sie sind mechanisch stark belastbar dem Naturfaservliese bzw. -filze mit Kunst-
und gleichzeitig leicht, also z. B. ideal für den stoffen heiß verpresst werden. Es wird vor
modernen Automobilbau. allem bei automobilen Innenraumteilen ein-
gesetzt, ebenso wie bei der Produktion von
Schalenkoffern und Tabletts (s. Kap. 4.1).
Auch das in der Kunststoffindustrie ins-
gesamt am häufigsten verwendete Spritz-
gießen kann heute für NFK genutzt werden.
Unterschiedliche Kunststoff-Naturfaser-Gra-
nulate sind am Markt verfügbar und können
mit Standard-Spritzgieß-Formen genutzt
werden. Am Markt erfolgreich platzierte Pro-
©© FNR/Hardy Müller
dukte sind u. a. Schleifscheibenträger, Lade-
geräte und Autoinnenteile (s. Kap. 4.3).
Will man besonders belastbare Teile aus
Autotür aus einer Naturfasermatte, verfestigt mit NFK herstellen, die auch konstruktiv genutzt
einem duroplastischen Kunststoff werden können, so gibt es weitere Verfah-
ren wie Resin-Transfer-Moulding (RTM) und
Pressverfahren, die mit Langfasern in Form
Diese Naturfaserwerkstoffe wurden in den von Gelegen und Textilien arbeiten. Die Ver-
1980er-Jahren vor allem in Deutschland ent- fahren erzielen zwar sehr gute mechanische
wickelt. In den 1990er-Jahren begann ihre Eigenschaften, werden jedoch nur in Klein-
Erfolgsgeschichte in der Automobilindustrie. serien genutzt, was in einem höheren Auf-
Mittlerweile konnten sie auch in anderen wand und entsprechenden Kosten resultiert
Branchen, wie z. B. im Konsumgüterbereich, (s. Kap. 4.5).
Fuß fassen. In vielen Anwendungen sind
NFK nicht nur wegen ihrer mechanischen
7
2.2 Holz-Polymer-Werkstoffe Der Einsatz von bio-basierten Kunststoffen
(WPC) ist bis jetzt noch die Ausnahme, wird aber
in kleinen Nischen wie Spielwaren für Kinder
Holz-Polymer-Werkstoffe – Wood-Plastic- bereits eingesetzt.
Composites (WPC) – sind Verbundwerkstof-
fe, die aus unterschiedlichen Anteilen an Durch die Zugabe von Additiven werden
Holzmehl oder Holzfasern, Kunststoffen und die Verarbeitbarkeit und die mechanischen
Additiven bestehen. Eigenschaften verbessert.
Als Holzanteil werden Sägenebenprodukte WPC lässt sich durch thermoplastische Form-
der Holzwerkstoffindustrie wie insbesondere gebungsverfahren, wie Extrusion (s. Kap.
preiswertes Holzmehl, selten hochwertige 4.2), Presstechniken (s. Kap. 4.1), Spritzgie-
Holzfasern, eingesetzt. Je nach Produkt und ßen (s. Kap. 4.3) und 3D-Druck (s. Kap. 4.4).
gewünschter Materialeigenschaft kann der verarbeiten.
(Ligno-)Zellulose-Anteil im WPC von 20 bis
80 % variiert werden. Wichtige Anwendungsfelder für ein extru-
diertes WPC sind Bauprodukte wie Terras-
Die Kunststoffmatrix besteht in der Regel senbeläge, Bootsstege und Promenaden
aus preisgünstigen petrochemischen Mas- („Deckings“) sowie Außenfassaden, Sicht-
senkunststoffen wie Polyethylen (PE), Poly- schutz für Gärten, Lärmschutzwände, Zäune
propylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC). sowie Geländer, Fensterrahmen und Türen
oder auch Schalungselemente im Beton-
bau. Seit 2013 gibt es auch Bauplanken für
Heimwerker.
Im Pressverfahren hergestelltes WPC wird in
der Automobilindustrie für Innenraumteile
verwendet, ähnlich wie naturfaserverstärk-
te Kunststoffe (NFK). Die Holzpartikel oder
-fasern sorgen hier für eine gute Steifigkeit,
während die Festigkeit meist hinter Naturfa-
ser-Formpressteilen zurück bleibt.
©© NATURinFORM GmbH
Schließlich finden sich zunehmend auch
WPC-Anwendungen im Spritzgießbereich wie
diverse Konsumgüterartikel, Gehäuse von
Geräten, Möbel (z. B. Stühle) und Kleinteile
für die Möbelindustrie und Spielwaren.
Schwimmbad-Steg mit WPC-Dielen
83 DIE ROHSTOFFE:
KUNSTSTOFFE, BIOKUNSTSTOFFE, NATUR-
FASERN, HOLZ UND BIO-CARBONFASERN
3.1 Bewährte petrochemische Werden besonders feste und zähe Konstruk-
Kunststoffe tionswerkstoffe benötigt, greift man auf teu-
re Spezialkunststoffe zurück oder verstärkt
Um aus Naturfasern oder auch Naturfaser- Standardkunststoffe wie Polypropylen durch
halbzeugen moderne Werkstoffe herstellen Glas- oder Carbonfasern. Jedes Jahr werden
zu können, benötigt man Bindemittel oder in Europa etwa 2 Mio. t glasfaserverstärkte
eine Kunststoffmatrix zu ihrer Verfestigung. Kunststoffe eingesetzt [10] und können je
Traditionell wurden hierzu tierische und nach Anforderung sogar Metallkonstruktio-
pflanzliche Leime, Kleber und Harze ver- nen ersetzen. Typische Anwendungen sind
wendet, heute vor allem petrochemische Automobilteile, Rotorblätter von Windkraft-
Kunststoffe. Eine Alternative stellen bio-ba- anlagen und sogar selbsttragende Brücken.
sierte Kunststoffe dar (s. Kap. 3.2). Die weltweite Produktionskapazität von Car-
bonfasern lag 2014 bei etwa 80.000 t [10].
In Deutschland wurden im Jahr 2015 ca. Europa hat davon einen Anteil von 24 %.
10,2 Mio. t Kunststoffe erzeugt [8]. Wesent- Dabei wird Carbonfasern in der Flugzeug-
liche Anteile an der Produktion haben da- und Automobilindustrie sowie bei Highend-
bei Polypropylen (PP) mit ca. 2,0 Mio. t so- Produkten für Sport und Freizeit eine große
wie Polyethylen (PE) mit ca. 1,7 Mio. t und Zukunft vorhergesagt.
Polyvinylchlorid (PVC) mit ca. 1,6 Mio. t.
Hauptanwendungsbereiche sind die Verpa- Eine weitere Option zur Verstärkung der
ckungs-, Bau- und Automobilindustrie. Kunststoffe stellen Naturfasern dar – was
sie leisten können, ist das Thema dieser
Nur in wenigen Fällen kommen bei der Broschüre.
Kunststoffherstellung lediglich die reinen
Polymere zum Einsatz. In der Regel werden Duro- und Thermoplaste
Additive und Füllstoffe zugefügt, um die Grundsätzlich unterscheidet man unabhän-
Kunststoffe je nach Anwendung steifer oder gig davon, ob es sich um Kunststoffe auf pe-
weicher, UV-beständiger oder auch farbig trochemischer oder nachwachsender Basis
zu machen. Hierfür eignen sich neben syn- handelt, zwischen duro- und thermoplasti-
thetischen Chemikalien auch Mineralien schen Kunststoffen.
wie Talkum oder nachwachsende Rohstoffe
wie z. B. Holzfasern und Holzmehl. Thermoplastische Kunststoffe sind Kunst-
stoffe, die sich unter dem Einfluss von
9Wärme plastisch verformen lassen. In der zen sich die Kettenmoleküle dreidimensional
Regel bestehen Thermoplaste aus linearen untereinander und werden dadurch sehr sta-
oder wenig verzweigten Kettenmolekülen. bil und thermisch belastbar. In Verbindung
Sie lassen sich mehrfach einschmelzen und mit Holz- und Naturfasern werden vor allem
neu formen. Dies erweist sich beim stoffli- Acrylat-, Epoxid- und Phenolformaldehyd-
chen Recycling als wichtiger Vorteil. Thermo- harze, Polyurethan und ungesättigte Polyes-
plaste können sowohl im Spritzgießverfah- terharze verwendet. Einige dieser Harze, wie
ren (s. Kap. 4.3) verarbeitet werden, als auch z. B. Epoxidharze, können auch vollständig
mittels Extrusion (s. Kap. 4.2) und thermo- oder anteilig bio-basiert produziert werden.
plastischem Formpressen (s. Kap. 4.1).
In Verbindung mit Natur- und Holzfasern kom- 3.2 Innovative Biokunststoffe
men vor allem die petrochemischen Thermo-
plaste Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Biokunststoffe – also bio-basierte Kunststof-
Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS) zum fe – bestehen teilweise oder vollständig aus
Einsatz. Die hohen Schmelztemperaturen der Biomasse wie z. B. Zucker, Stärke, Zellulose,
Polyamide (PA), bei denen Bestandteile der Pflanzenölen und Lignin. Der Anteil von Bio-
Naturfasern leicht geschädigt werden, stehen kunststoffen am Weltmarkt für Kunststoffe
einer Verwendung eher entgegen. liegt heute bei ca. 2 % [1].
Um die Bindung zwischen Kunststoff und Unter den thermoplastischen Biokunststof-
Naturfasern zu verbessern, sind in vielen Fäl- fen finden neben Stärkepolymeren vor allem
len Haftvermittler notwendig. So verbinden Polymilchsäure (PLA) sowie Polyhydroxy-
sich etwa Polypropylen (PP) und Naturfasern alkanoate (PHA/PHB) Verwendung. Aber
aufgrund ihrer Polaritäten nur sehr schwer. auch bekannte Thermoplaste wie Poly
Ein Haftvermittler überwindet das Problem. ethylenterephthalat (PET) sowie PE können
Neue Forschungsarbeiten zeigen, dass auch bereits heute bio-basiert produziert werden.
eine Plasmabehandlung der Naturfasern zu In größeren Volumina werden aktuell Bio-
einer besseren Bindung an unpolare Kunst- PET und Bio-PE aus brasilianischem Zucker-
stoffe führt. rohr hergestellt. Bei den Duroplasten findet
man bio-basierte Epoxidharze auf Basis von
Neben Haftvermittlern kommen in der Praxis Glyzerin (Beiprodukt der Biodieselproduk-
noch eine Reihe weiterer Additive zum Ein- tion), zudem bestehen auch einige Polyure-
satz, so z. B. zur Einfärbung oder als UV- und thane anteilig aus nachwachsenden Roh-
Flammschutz. stoffen, wie z. B. Sojaöl.
Duroplastische Kunststoffe dagegen las- Kunststoffe auf Basis nachwachsender Roh-
sen sich, einmal ausgehärtet, nicht mehr ver- stoffe tragen zur zukünftigen Versorgungs-
formen. Im Prozess des Aushärtens vernet- sicherheit bei. Sie können petrochemische
10Kunststoffe ersetzen, deren Herstellung mit auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften
der Verknappung von Erdöl und -gas tenden- für Textilien und Spezialgewebe genutzt.
ziell teurer wird. Die Biokunststoffe sollen
dabei – wie die petrochemischen Kunst- Bei Flachs, Hanf, Jute und Kenaf, den so-
stoffe auch – möglichst mehrfach stofflich genannten Bastfaserpflanzen, wachsen die
genutzt (Recycling) und am Ende ihres Le- Fasern aus den Sprossachsen. Bastfasern
bensweges thermisch verwertet werden, um bilden sich im äußeren Teil des Pflanzen-
einen großen Teil der Herstellungsenergie stängels und stabilisieren den schlanken
zurückzugewinnen und fossile Ressourcen und hohen Stängel, um z. B. ein Abknicken
bei der Energiegewinnung zu ersetzen. Dies der Pflanzen bei starkem Wind zu verhin-
wirkt sich wiederum positiv auf die Flächen- dern. Der Fasergehalt dieser Pflanzen konnte
und Ressourceneffizienz aus. von ursprünglich 5 bis 10 % durch Züchtung
auf heute 25 bis 30 % gesteigert werden.
Für Bioverbundwerkstoffe stellen Biokunst-
stoffe ein besonders interessantes Einsatz- MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN
gebiet dar, da mit ihnen – zusammen mit VON NATURFASERN [7]
Natur- oder Holzfasern – vollständig bio-ba-
sierte Verbundwerkstoffe realisierbar sind. • Die Dichten von Flachs, Hanf, Jute, Ke-
Mit Naturfasern kann das Eigenschaftsprofil naf, Ramie, Abaka, Nessel sind etwa
von Biokunststoffen erweitert werden, ohne alle gleich (1,2 bis 1,6 g/cm3). Sisal
auf fossile oder mineralische Fasern zurück- hat eine etwas geringere Dichte.
greifen zu müssen. • Die Feinheit ist stark abhängig vom
Aufschlussgrad, als grobe Orientierung
Generell gilt für Biokunststoffe, dass sie sich dient folgende Reihenfolge: Nessel =
in der Verarbeitung und in den Material- Ramie > Flachs = Jute > = Kenaf > Hanf >
eigenschaften mit klassischen Kunststoffen Sisal > Abaka = Bambus > Kokos.
messen lassen müssen. Erst vergleichba- • Bei Festigkeit kann folgende Reihenfol-
re oder bessere Eigenschaften und Her- ge als Orientierung angesetzt werden:
stellungskosten werden ihnen den breiten Ramie = Flachs = Hanf > Abaka = Nessel
Marktzugang ermöglichen. > Kenaf > Jute = Bambus > Sisal > Kokos.
• Für den Elastizitätsmodul wird folgen-
de Reihenfolge zur Orientierung vorge-
3.3 Starke Naturfasern nommen: Ramie > Flachs > = Hanf > Ke-
naf > = Jute = Abaka > Bambus = Nessel
In naturfaserverstärkten Kunststoffen werden > Sisal > Kokos.
vor allem Flachs- und Hanffasern sowie Jute-, • Und schließlich für die Dehnung fol-
Kenaf-, Sisal- und Abakafasern eingesetzt. gende Reihenfolge: Jute < = Ramie < =
Brennnesselfasern spielen für diesen An- Flachs = Hanf = Kenaf < Abaka < = Bam-
wendungsbereich keine Rolle, sie werden bus < Sisal < Kokos.
11Bei Sisal und Abaka dagegen stammen die
Fasern aus Blattscheiden und verstärken
©© FNR/Volker Petersen
die großen Blätter, bei der Baumwollpflan-
ze wachsen die Fasern als Samenhaare aus
dem Samen.
Diese Broschüre beschäftigt sich vor allem Hanf
mit Flachs und Hanf, den beiden Faserpflan-
zen, die in Europa angebaut, verarbeitet und
in neuen Werkstoffen verwendet werden. Papier. Im 17. Jahrhundert erreichte Hanf als
Am Beispiel von Hanf, der im Gegensatz zu Wirtschaftsgut durch den enormen Bedarf
Flachs überwiegend in technische Anwen- der Schifffahrt an Seilen und Segeltuch seine
dungen geht, soll zunächst die gesamte Pro- größte Bedeutung – 50 bis 100 t Hanffasern
zesskette der Naturfaserproduktion exemp- mussten für ein typisches Segelschiff samt
larisch dargestellt werden. Im Anschluss wird Besatzung bereitgestellt und jeweils binnen
auf die Unterschiede bei Flachs gesondert zwei Jahren erneuert werden.
eingegangen.
Ab dem 18. Jahrhundert verlor der deut-
Hanf sche Hanf kontinuierlich an Bedeutung: Die
Hanffasern werden seit Jahrtausenden für Konkurrenz durch osteuropäischen Hanf,
Kleidungsstücke, Schnüre, Seile oder Netze Naturfasern aus den Kolonien, den Einsatz
genutzt. Hanf gehört wie Flachs zu den äl- von Baumwolle im Textilbereich („Spinning
testen Kulturpflanzen: Etwa um 2.800 v. Chr. Jenny“) und das Aufkommen der Dampf-
wurden in China die ersten Seile aus Hanf- schifffahrt im 19. Jahrhundert ließen die
fasern erzeugt. Nachfrage zusammenbrechen.
Es folgte die Verwendung als Textilfaser; Anfang der 1990er-Jahre wurde Hanf inner-
in einem Grab aus der Chou-Dynastie halb der Europäischen Union (EU) praktisch
(1.122 bis 249 v. Chr.) fand sich ein Textil- ausschließlich in Frankreich angebaut – für
fragment, das wohl älteste erhaltene Hanf- die Produktion von Spezialzellstoffen mit
produkt. Auch das erste Papier wurde aus besonders hohen technischen Anforderun-
Hanf hergestellt – so blieb in China ein gen, wie z. B. Zigarettenpapiere, Dünndruck-
Stück Hanfpapier aus der Zeit von 140 bis papiere und Banknoten. Als der Anbau und
87 v. Chr. erhalten. die Nutzung von Hanf Ende der 1990er-
Jahre wiederentdeckt wurden, mussten in
Hanfprodukte sind auch aus dem Europa vielen EU-Ländern zunächst die Anbauver-
des Mittelalters nicht wegzudenken – Hanf bote überwunden werden, die im Rahmen
war der Rohstoff für die Herstellung von der weltweiten Marihuana-Prohibition auch
Seilen, Segeltuch, Bekleidungstextilien und für rauschfreien Nutzhanf erlassen worden
12waren. Infolge dieser „Wiederentdeckung dicht über dem Boden ab, führen die langen
der Nutzpflanze Hanf“ haben sich die An- Stängel durch die Maschine und kürzen sie
bauflächen in der EU fast verdreifacht – bei dabei auf ca. 60 cm lange Stücke ein, um die
gleichzeitig stetig fallenden EU-Beihilfen für Weiterverarbeitung zu erleichtern. Das ein-
den Anbau bzw. die Verarbeitung von Hanf. gekürzte Hanfstroh bleibt zur sogenannten
2016 lag die Hanfanbaufläche in der EU Feldröste für zwei bis vier Wochen auf dem
bei 33.000 ha [11], rund 40 % dieser Flä- Feld liegen und wird in dieser Zeit ein- bis
che entfallen auf Frankreich. In Deutschland zweimal gewendet.
lagen die Flächen in den letzten Jahren zwi-
schen 1.000 und 2.000 ha. Wichtigste An- Röste
wendungen für Hanffasern sind heute Spe- Bei der Röste lösen sich die Kittsubstanzen
zialzellstoff (55 %), Dämmstoffe (26 %) und (Pektine, Lignin) zwischen den Fasern und
Verbundwerkstoffe (15 %) [4]. dem Reststängel und legen die Fasern frei.
Es handelt sich dabei um einen biologi-
Anbau, Ernte und Röste von Hanf schen Prozess, bei dem Mikroorganismen
Die Aussaat des Hanfes erfolgt in Deutsch- wie Bakterien und Pilze sowie die von ihnen
land Mitte April bis Mitte Mai. Bis zum Hoch- erzeugten Enzyme wirksam sind. Durch die
sommer haben die Hanfbestände Höhen Röste wird der spätere mechanische Faser-
von zwei bis vier Meter erreicht. Soll die Fa- aufschluss deutlich vereinfacht sowie die
ser für technische Zwecke genutzt werden, Ausbeute und Feinheit der Fasern erhöht.
ist der optimale Erntezeitpunkt die Vollblüte Nach der Röste wird das Hanfstroh an tro-
der männlichen Pflanzen, meist im Juli. ckenen Tagen zu Ballen gepresst und bis
zum Faseraufschluss trocken gelagert. Die
Ökologie Lagerung kann ohne Qualitätsverluste über
Hanf wird ohne Pflanzenschutzmittel ange- mehrere Jahre erfolgen.
baut. Der Schädlingsdruck ist meist gering
und bedroht die Faserernte nur marginal.
Auch der Einsatz von Herbiziden ist nicht
erforderlich, weil die Pflanzen schnell und
dicht wachsen, sodass Unkräuter keine
Chance haben. Hanf wird in der Fruchtfolge
gerne gesehen, da er den Boden unkrautfrei
und mit verbesserter, lockerer Struktur und
nährstoffreich zurücklässt.
©© BAFA Neu GmbH
Ernte
In den letzten zehn Jahren wurde die Ernte-
technik für Hanf neu entwickelt. Moderne
Erntemaschinen schneiden die Hanfpflanze Moderne Erntetechnik für Hanf
13©© BAFA Neu GmbH
©© BAFA Neu GmbH
Eingekürztes Hanfstroh während der Feldröste Faseraufschlussanlage
Der in den 1990er-Jahren zum Teil propa- wird der verholzte Kern des Stängels (die
gierte Grünhanfaufschluss ohne Röste konn- späteren „Schäben“) gebrochen, die Fasern
te sich nicht etablieren, Faserausbeuten und trennen sich vom Holz. Je nach Weiterver-
-qualitäten waren zu gering. arbeitung bleiben Faserbündel unterschied-
licher Feinheit und Längenverteilung übrig.
An guten Standorten können jährlich 6 bis Während die Fasern für die textile Verarbei-
9 t Hanfstroh pro Hektar geerntet werden. tung möglichst lang, fein und schäbenfrei
Bei einem technisch nutzbaren Fasergehalt sein müssen, stellen technische Anwendun-
von ca. 25 % lassen sich demnach pro Hek- gen, insbesondere NFK, geringere Anforde-
tar 1,5 bis 2 t Hanffasern produzieren. Der rungen, die sich auch in niedrigeren Faser-
nicht nutzbare verholzte Kern des Stängels preisen widerspiegeln.
(die späteren „Schäben“), welcher 50 bis
70 % des Gesamtertrages ausmacht, kann Im Spritzgießverfahren (s. Kap. 4.3) können
als Baumaterial, Brennstoff, Füllstoff oder kurze Hanffasern verarbeitet werden. Für
als Einstreu in der Landwirtschaft genutzt Vliese und Filze zur Produktion von Form-
werden. pressteilen (s. Kap. 4.1) dagegen werden
6 bis 10 cm lange „vliesfähige“ technische
Faseraufschluss: Fasern benötigt. In beiden Fällen ist ein mög-
Vom Hanfstroh zur Faser lichst geringer Schäbengehalt von maximal
Baumwollfasern können einfach von der 2 % gewünscht, da die Schäben die weite-
Pflanze gepflückt, entkörnt und von Schmutz re Verarbeitung stören können – bis hin zu
und Reststoffen gereinigt werden. Bei Bast- sichtbaren Oberflächenstörungen im ferti-
fasern wie Flachs und Hanf ist der Vorgang gen Produkt.
der Fasergewinnung erheblich aufwändiger.
Dies ist einer der wichtigsten Gründe, warum Fasern für Gewebe
sich Baumwolle weltweit mit großem Ab- Hanffasern können versponnen und das Garn
stand an der Spitze der Naturfasern platzie- zu technischen Geweben verwoben werden,
ren konnte. die für hochwertige NFK Verwendung finden.
Da dieser Prozessweg – physikalisch, che-
Die Verarbeitung der Hanfstrohballen erfolgt misch oder enzymatisch – sehr kostspielig ist,
in eigenen Faseraufschlussanlagen. Dabei wird er bislang kaum praktiziert.
14Fasern für Formpressteile Sisal gemischt, so ergeben sich die besten
Preiswerter ist es, die Fasern direkt zu texti- mechanischen Werte in Kombination mit
len Halbzeugen wie Vliesen oder Filzen, häu- einer optimalen Verarbeitbarkeit für die Ver-
fig auch als „non-wovens“ bezeichnet, zu bundwerkstoffe. Die feinen Fasern schaffen
verarbeiten. Während die Fasern bei Filzen mehr Bindung zwischen Faser und Kunst-
ineinander verschlungen sind, werden sie für stoff, die gröberen gewährleisten das Ein-
Vliese nur geschichtet und durch ein Binde- dringen des Binders in das textile Produkt.
mittel, insbesondere duroplastische Harze
oder Thermoplaste, verfestigt. Vorprodukte Wirtschaftlichkeit
für Formpressteile (s. Kap. 4.1) sind sowohl Abbildung 3.1 zeigt die Preisentwicklung
reine Naturfaservliese und -filze als auch bei Flachs- und Hanfkurzfasern vom Jahr
Mischfilze aus Natur- und z. B. Polypropylen- 2003 bis heute. Vergleicht man die Preis-
fasern. In der Praxis haben sich besonders kurven mit denen anderer Rohstoffe, so fällt
Mischungen von verschiedenen Naturfasern eine erstaunliche Preiskonstanz für Hanffa-
bewährt. Werden feine Fasern wie Flachs sern bis heute auf.
oder Jute mit gröberen Fasern wie Hanf oder
PREISENTWICKLUNG BEI FLACHS- UND HANFKURZFASERN
PREISENTWICKLUNG BEI FLACHS- UND HANFKURZFASERN
Preis von technischen Hanf- und Flachs-Kurzfasern in %
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Flachs Hanf 100 % entsprechen dem Preis von technischen Hanfkurzfasern
im März 2003, bei einer Abnahmemenge von 100 Tonnen pro Jahr.
Quelle: European Industrial Hemp Association 2017 © FNR 2017
Quelle: European Industrial Hemp Association 2017 (www.eiha.org) © FNR 2017
Abb. 3.1: Preisentwicklung bei Flachs- und Hanfkurzfasern für Vliese und Filze in Europa
15Die Flachspreise zeigen dagegen immer Flachs (Faserlein)
wieder steile Ansteige. Ursache sind zurück- Aus den Fasern von Flachs, auch Faser-
gehende Anbauflächen (Flächenkonkurrenz lein genannt, werden seit Jahrtausenden
zu Lebensmitteln und Bioenergie), Missern- Kleidungsstücke (Leinen) und andere Ge-
ten und die stark steigende Nachfrage der brauchsgegenstände wie Schnüre, Seile
chinesischen Textilindustrie. und Netze hergestellt.
Im Juni 2016 erhielten Hanfstroh und -fa- Flachs gehört zu den ältesten Kulturpflanzen
sern des niederländischen Unternehmens überhaupt. So wurden Leinsamen bereits
HempFlax B.V. das etablierte ISCC PLUS-Zer- in einer etwa 9.000 Jahre alten Grabstätte
tifikat für Nachhaltigkeit, als weltweit erste im heutigen Iran gefunden. Das Britische
Naturfaser. Inzwischen gibt es auch ISCC Museum in London stellt ein altägyptisches
PLUS-zertifiziertes Hanfstroh und -fasern Faserleingewebe von 5.000 v. Chr. aus und
aus Deutschland und Rumänien. Die Preise ägyptische Darstellungen aus dieser Zeit zei-
der zertifizierten Fasern liegen 5–10 % über gen uns die gesamte Wertschöpfungskette
nicht-zertifizierten Fasern. des Faserleins, der u. a. für die Mumienbin-
den Verwendung fand. Die ältesten Leinfun-
Qualitätsmanagement de in Europa datieren auf etwa 2.700 v. Chr.
Ohne Qualitätsmanagement über die in der Schweiz. Fäden, Schnüre und Netze
gesamte Prozesskette können sich ein- waren die typischen Faserleinerzeugnisse.
heimische Naturfasern gegen preiswerte
Importfasern nicht behaupten. Die Quali- Bis der Beginn der industriellen Revolution
tät der Naturfasern beginnt nicht erst beim den Siegeszug der Baumwollfaser einläu-
Faseraufschluss. Die Auswahl der geeigne-
ten Anbaustandorte und Sorten, des Ernte-
zeitpunkts und der Erntetechnik, die Länge
der Röstzeit, die Art der Lagerung und vieles
mehr bestimmen die Qualität der Naturfa-
sern und damit schließlich auch die Qualität
der späteren Verbundmaterialien.
Für die technischen Verarbeitungsprozes-
se und die späteren Materialeigenschaften
gelten insbesondere standardisierte, gleich-
©© FNR/Volker Petersen
bleibende Faserqualitäten als wichtige Vor-
aussetzung.
Flachsfeld
16tete, war Leinen die wichtigste Textilfaser mehr verloren gegangen und die Konkurrenz
Europas. Da die Baumwolle jedoch erheb- aus Frankreich, Belgien und Osteuropa zu
lich einfacher zu verarbeiten war und die stark. Heute werden in Deutschland weniger
Verarbeitung leicht mechanisiert werden als 20 ha (2016) Flachs angebaut.
konnte, verdrängte sie den Flachs rasch.
So sank der Flachsanbau in Deutschland
von ca. 215.000 ha im Jahre 1850 auf ca. 3.4 Bewährtes Holz:
35.000 ha zur Jahrhundertwende. Holzmehl und Holzfasern
Als in den 1980er-Jahren das Interesse an Der Hauptbestandteil von WPC ist in der
nachwachsenden Rohstoffen und neuen An- Regel der Rohstoff Holz aus Sägenebenpro-
wendungsgebieten für alte Kulturpflanzen dukten des einheimischen Weichholzes, vor
wuchs, widmete sich die Forschung auch ver- allem Fichte. Hartholz wie Eiche oder Ahorn
stärkt der technischen Nutzung des Flachses. wird dagegen kaum eingesetzt.
2016 lag die Flachsanbaufläche in der EU Sägenebenprodukte sind Holzreste, die bei
bei ca. 90.000 ha [5], was einen erheblichen der Verarbeitung von entrindeten Stämmen
Rückgang gegenüber ca. 120.000 ha im Jahr zu Nutzholz oder der nachfolgenden Holz-
2004 bedeutet. Ursachen sind die gesunke- verarbeitung anfallen. Dazu zählen Holzhack-
nen Exporte nach China und die zunehmen- schnitzel, Holzspäne, Holzmehl und nach
de Flächenkonkurrenz mit Energiepflanzen. weiterer mechanischer oder chemischer
Aufbereitung auch Holzfasern (z. B. MDF-
Wichtigste Anbauländer sind Frankreich, Bel- oder Zellulosefasern). Die unterschiedlichen
gien und die Niederlande. Ein Großteil der Holzrohstoffe bzw. -zwischenprodukte haben
Flachsproduktion zielt auf hochwertige Flach- sehr unterschiedliche Eigenschaften und füh-
langfasern für die Bekleidungsindustrie. Die ren hierdurch in der WPC-Produktion zu ver-
meisten Flachslangfasern werden nach China schiedenartigen Materialeigenschaften. So
exportiert und dort versponnen, gewebt und haben z. B. die Feinheit und der sogenannte
schließlich zu Textilien konfektioniert. Schlankheitsgrad – das Verhältnis von Länge
zu Breite bzw. Durchmesser – einen großen
Als Nebenprodukt entsteht die Flachskurz- Einfluss auf die mechanischen Eigenschaf-
faser (Werg), die für Zellstoffe, Textilien, Ver- ten. Von diesem Schlankheitsgrad hängt es
bundwerkstoffe und Dämmstoffe genutzt ab, ob das Holz in der Kunststoffmatrix eher
wird. ein Füllmittel oder eine Verstärkung darstellt.
Der Anbau und die Verarbeitung von Flachs Entscheidende Kriterien für den Einsatz von
konnten sich in Deutschland trotz intensiver Holzmehl und -fasern zur WPC-Produktion
Bemühungen nicht wieder etablieren. Das sind neben dem Preis vor allem auch qua-
Know-how war über die Jahrzehnte mehr und litative Aspekte, wie die Restfeuchte, die
17Faserlänge, der Schlankheitsgrad oder der beobachten, die insbesondere durch die
Harzgehalt. wachsende Nachfrage aus dem Bereich der
Bioenergie, Holz-Heizkraftwerke und Pellet
Im Vergleich zu anorganischen Füllstoffen öfen getrieben wurde. Dennoch liegt das
weisen die Holzrohstoffe neben anderen Vor- absolute Preisniveau von Holz im Vergleich
teilen eine geringere abrasive Neigung auf. zu den meisten Agrarrohstoffen niedrig. Das
Preisniveau der produktionsfertigen Holz-
In den letzten 10 Jahren ist eine kontinuier- faserprodukte im „Big-Bag“ liegt etwa zwi-
liche Preissteigerung bei Sägespänen zu schen 250 und 400 €/t (ab Werk).
Holzfasern: Die Dimensionen einzelner Holzhackschnitzel und Holzspäne:
Holzfasern reichen je nach Baumart von 0,5 Schnitzel und Späne weisen unterschied-
bis 4,5 mm in der Länge und 0,02 mm bis liche Schlankheitsgrade und Formen auf.
0,04 mm im Durchmesser. Typische Werte Sie bestehen aus einer Vielzahl miteinan-
für Nadelhölzer, wie sie für WPC verwendet der verbundener Holzfasern und Holzfa-
werden, sind 2,5 bis 3 mm (Länge) und serfragmenten. Typische Größen für Holz-
0,03 mm (Durchmesser). Der Schlankheits- hackschnitzel sind folgende Dimensionen
grad, das Verhältnis von Länge zu Breite, in Faserrichtung: Länge ca. 25 bis 40 mm,
beträgt in diesem Fall 100 : 1. Den genann- Dicke ca. 5 bis 15 mm, Breite ca. 10 bis
ten hohen Schlankheitsgrad können in der 100 mm.
Praxis sonst nur Zellstofffasern bieten, die
von einigen Papierherstellen entweder als Holzspäne (Sägespäne und Hobelspäne)
Fasermischung oder in Form von Granu- sind sehr heterogen und mit Feinpartikeln
laten, die bereits mit Kunststoff vermischt (Staub) versetzt. Eine Aufbereitung erfolgt
sind, vermehrt am Markt für Spritzgießan- durch mehrfache trockene Mahlungen und
wendungen angeboten werden. Siebungen, um die Rohstoffe zu homogeni-
sieren. Diese Anlagen erfordern allerdings
Zur Gewinnung von einzelnen Holzfasern hohe Investitionen, weshalb die meisten
werden thermo-mechanische oder auch WPC-Hersteller eher industriell aufbereite-
chemische Refiner/Pulping-Prozesse ver- tes Holzmehl bzw. Holzfasern einsetzen.
wendet. Holzfasern sind keine Füllmittel,
sondern Verstärkungsfasern. Aus Kosten- Holzmehl: Feine Holzpartikel, die etwa
gründen werden kaum Holzfasern für die gleich lang wie breit sind (ca. 0,3 bis
WPC-Produktion verwendet; zudem kann 0,4 mm) werden als Holzmehl bezeichnet.
es bei Holzfasern zu Problemen bei der Ihr Schlankheitsgrad beträgt etwa 1:1.
Zufuhr kommen, wenn diese nicht vorher Holzmehl kann nur als Füllstoff eingesetzt
verdichtet bzw. pelletiert wurden, was aber werden [9].
weitere Kosten verursacht.
183.5 Zellulosefasern –
im Aufschwung
©© Elastopoli Oy
Zellulosefasern werden aus sog. Chemiezell-
stoff hergestellt (engl.: „dissolving pulp“),
der zu über 90 % aus Nadel- und Laubholz
und zu knapp 10 % aus Bambus und Na- Lautsprechergehäuse aus Zellulose-basiertem
turfasern wie Flachs oder Hanf gewonnen Granulat
wird. Mit einem Marktanteil von 7 % am
Weltmarkt der Textilfasern stellen sie im Jahr
2016 nach Baumwolle (26 %) bereits die talisierung zurückgeht, stellen viele der tra-
wichtigsten Naturfasern dar (der Anteil syn- ditionellen Zellstoffhersteller ihre Anlagen
thetischer Textilfasern lag 2016 bei 61 %) auf die Produktion von Chemiefaserzellstoff
[12]. Das weltweite Produktionsvolumen um und sind auf der Suche nach neuen An-
der Zellulosefasern liegt bei etwa 7 Mio. t wendungsfeldern. Hiermit erhöht sich die
und wächst jährlich um ca. 10 %. Die wich- Verfügbarkeit der Zellulosefasern und durch
tigsten Produktionsverfahren sind Viskose, die Konkurrenz werden auch fallende Preise
Modal und Lyocell – aktuell werden z. B. in erwartet. Gleichzeitig werden die Verfahren
Finnland weitere Verfahren im Kontext von zur Produktion von Chemiezellstoff und Zel-
Bioraffinerien entwickelt. lulosefasern ständig weiterentwickelt.
Der Haupteinsatzbereich für Zellulosefasern Vor allem im Norden Europas entstehen
ist der Textilbereich. Seit einigen Jahren wer- aktuell neue Bioraffinerien, die u. a. hoch-
den Zellulosefasern aber auch in Verbund- wertige Zellulosefasern herstellen. So hat
werkstoffen eingesetzt. Sie verfügen über etwa die finnische Metsä-Gruppe in 2017
sehr gute Verstärkungseigenschaften und die größte Lignozellulose-Bioraffinerie Euro-
können in Länge und Durchmesser (und pas in Betrieb genommen. Zusammen mit
weiteren Eigenschaften) in einer großen dem Unternehmen Elastopoli wurde das
Bandbreite variiert und auch als Endlosfaser Zellulose-basiertes Granulat Aqvacomp®
geliefert werden. Weitere Vorteile sind Ge- entwickelt. Durch eine neu entwickelte
ruchsfreiheit und leichte Einfärbbarkeit. Der Nassmischtechnologie wird aus dem nas-
stärkere Einsatz wird bisher vor allem durch sen Zellstoff eine homogene Mischung
ihren Marktpreis limitiert. mit verschiedenen Polymeren erreicht, die
sehr gute technische als auch haptische
Zukünftig wird eine zunehmende Bedeu- Eigenschaften besitzt. Die bekannte Firma
tung von Zellulosefasern in Bioverbund- LG Electronics setzt dieses Zellulose-basier-
werkstoffen erwartet. Da die Nachfrage im te Granulat wegen seiner guten akustischen
klassischen Zellstoff- und Zeitungs-/Buch- Eigenschaften nun erstmals zur Serienher-
papierbereich weltweit aufgrund der Digi- stellung von Lautsprechergehäusen ein.
193.6 Bio-Carbonfasern – Ein neuer Ansatz ist die Herstellung von Car-
High-Tech aus Biomasse bonfasern aus Kraft-Lignin, einem Nebenpro-
dukt der Zellstoff- und Papierindustrie, das
Kohlenstofffasern, auch Carbonfasern ge- jährlich in großen Mengen anfällt und bisher
nannt, weisen eine hohe Festigkeit bei überwiegend zur Wärme- und Stromgewin-
einem sehr geringen Gewicht auf und eignen nung verbrannt wird. Bei dieser Methode wird
sich daher besonders zum Einsatz als Ver- das vorgereinigte Kraft-Lignin mit einem (Bio-)
stärkungsfasern in Kunststoffen für Leicht- Polymer als Hilfsstoff aus der Schmelze zu Fa-
bauteile. Dabei werden Gelege oder Gewebe sern gesponnen und auf Spulen gewickelt.
aus Kohlenstofffasern in eine Kunststoffma
trix eingebracht. Die Verarbeitungsverfahren Die Fasern, die zuvor in einen nicht schmelz-
entsprechen denen von langglasfaserver- fähigen Zustand versetzt wurden (Thermosta-
stärkten Verbundwerkstoffen, wie Pressfor- bilisierung), werden bei hohen Temperaturen
men, Faserwickeln und Handlaminieren. (1.300 bis 1.500 °C) unter Schutzatmosphä-
re „carbonisiert“. Dabei verdampfen die meis-
Bis jetzt ist der Einsatz der noch sehr teuren ten enthaltenen Substanzen, zurück bleibt
konventionellen Carbonfasern (15 €/kg und Kohlenstoff mit einer Reinheit von über 90 %.
mehr) auf hochpreisige Bauteile wie z. B. in Je nach angestrebten technischen Eigen-
Rennwagen, für High-Tech-Sportgeräte oder schaften können die Fasern dann noch „gra-
in der Luft- und Raumfahrt beschränkt. Im phitisiert“ werden (bei Temperaturen über
Jahr 2013 wurden in Deutschland die ers- 1.800 °C). Hierdurch wird die Anordnung in
ten Serien-PKW mit Carbonfasern gefertigt einer Kohlenstoff-Kristallstruktur bewirkt, die
(BMW i3). verbesserte Festigkeitswerte zur Folge hat.
Um gute Qualitäten zu erhalten, müssen die
Um den Einsatz dieser Leichtbauteile zu er- Vorfasern einen hohen Gehalt an Kohlenstoff
höhen und zum Beispiel auf Serienfahrzeu- und wenige Verunreinigungen aufweisen, um
ge im unteren Preissegment auszuweiten, eine möglichst gleichmäßige innere Struktur
müssen Carbonfasern in großen Mengen zu mit wenigen Fehlstellen zu erreichen.
günstigen Preisen zur Verfügung stehen.
Bis jetzt weisen die auf Basis von Kraft-Lignin
Für die Herstellung von Carbonfasern wer- hergestellten Kohlenstofffasern etwas gerin-
den zunächst kohlenstoffhaltige Vorstufen- gere Festigkeitswerte auf als die herkömm-
fasern erzeugt. Als Grundstoff dienten zu lich aus fossilen Rohstoffen, allerdings deut-
Zeiten der Entwicklung erster Anwendungen lich bessere als Glasfasern. Da es sich bei
von Carbonfasern im 19. Jahrhundert Bam- Lignin um ein preisgünstiges, großvolumiges
busfasern. Heute werden die Vorfasern über- Nebenprodukt handelt, wird bei entsprechen-
wiegend aus Polyacrylnitril (PAN) aber auch der Prozessoptimierung und Ausstoßmenge
Öl- oder Kohlepech oder regenerierter Zellu- eine erhebliche Kostenreduktion erwartet,
lose (Rayon) gewonnen. womit auch Märkte in unteren Preissegmen-
ten erschlossen werden könnten.
204 HERSTELLUNGSVERFAHREN – VIELE
OPTIONEN FÜR BIOVERBUNDWERKSTOFFE
4.1 Form- und Fließpressen mit Beim Formpressen kommen sowohl duro
Naturfasern – ein neuer, plastische als auch thermoplastische Matri-
attraktiver Werkstoff zes zum Einsatz. Etwa 45 % der für die euro-
päische Automobilindustrie produzierten
Von den ersten Forschungsprojekten An- Naturfaserformpressteile besitzen eine duro-
fang der 1980er-Jahre zu neuen Anwendun- plastische und 55 % eine thermoplastische
gen für Naturfasern und neuen Werkstoffen Matrix. Beide NF-Formpressvarianten liefern
auf natürlicher Basis war es ein langer Weg mechanisch stark belastbare, aber leichte
bis zu den ersten Erfolgen: Erst seit 1995 Bauteile. Typische Anwendungen reichen
etablierte sich mit dem Formpressen von von Türinnenverkleidungen, Hutablagen,
Naturfaservliesen und -filzen ein Verfahren Kofferraumauskleidungen, Reserveradmul-
mit hohen Zuwachsraten, vor allem für die den und Säulenverkleidungen bis hin zum
automobile Mittel- und Oberklasse der deut- Armaturenbrett. Auch für den Außenbereich
schen PKW-Industrie. wurden bereits erste Bauteile (z. B. als Unter-
boden) in Serie produziert.
Formpressen – die Grundidee
Von der Vielzahl spezieller Verfahren des Und schließlich sind – zumindest bei kom-
Formpressens sollen hier einige typische plexen, hochwertigen Türkonstruktionen
Prozessketten aufgezeigt werden. Das Vor- in der Mittel- und Oberklasse – auch die
produkt, in der Fachsprache auch Halbzeug Produktionskosten konkurrenzfähig. Und
genannt, ist ein Naturfaservlies oder -filz. Zu- das, obwohl ein Formpressteil aufwändiger
sammen mit dem gewünschten Kunststoff zu produzieren ist als ein reines Kunststoff-
wird das textile Halbzeug in eine offene Form teil. Betrachtet man aber die Gesamtkons-
geführt, erhitzt und unter Druck gepresst. Das truktion der Tür, so kann das NFK-Material
so entstandene „Formpressteil“ wird aus der punkten, weil sich bei der Produktion von
Form gelöst und die Ränder beschnitten. Man Naturfaserformpressteilen mehrere Arbeits-
spricht von Formpressen im Gegensatz zum schritte zu einem zusammenfassen lassen.
Fließpressen, wenn es zu keinem Fließen von So können schon im Formpressprozess
Fasern und Kunststoff im Werkzeug kommt. Halteelemente angebracht und Kaschierung
Prozessbedingt können durch Pressvorgän- aufgelegt werden, Folgearbeiten entfallen
ge nur „einfache“ dreidimensionale Teile ge- daher (One-Shot-Verfahren).
fertigt werden. Komplexe, nahezu beliebige
dreidimensionale Teile wie beim Spritzgießen,
sind beim Formpressen nicht darstellbar.
21©© Hennecke GmbH
1 Vortrockner
2 Auftragseinheit mit Hochdruckdosiermaschine mit speziellen Druckknöpfen
3 beheizte Presse
Abb. 4.1: Fertigungsprinzip im Polyurethan-Sprühverfahren
Duroplastisches Formpressen bei einem Schließdruck von 20 bar und einer
Bei einem Formpressverfahren mit duro- Werkzeugtemperatur von über 120 °C ver-
plastischer Matrix (s. Abb. 4.1) werden die presst. Die Wanddicken liegen zwischen 1,5
zugeschnittenen Naturfaserhalbzeuge in und 2,0 mm, der Naturfaseranteil kann zwi-
der Beschichtungskabine von zwei Hoch- schen 40 und 70 % gewählt werden.
druckmischköpfen innerhalb von 10 bis
25 Sekunden auf Vorder- und Rückseite mit Thermoplastisches Formpressen
einem duroplastischen Kunststoff, wie z. B. Auch für das Formpressen mit thermoplasti-
Polyurethan, beschichtet und anschließend scher Matrix stehen verschiedene Verfahren
in einer Metallform aus Aluminium oder Stahl zur Verfügung. Im One-step-Verfahren wer-
©© R+S Technik GmbH
Abb. 4.2: Thermoplastisches Formpressen
22den sogenannte Hybridvliese, hochwertige sern, wie z. B. Schäbenfreiheit, möglich. Bis-
Nadelfilze aus Natur- und Polypropylen-Fa- lang hat es noch kein unkaschiertes Bauteil
sern, auf 170 bis 180 °C erhitzt und kom- in die Serie geschafft.
men in die Formpresse.
Wachsendes Interesse dank deutlich
Wie in Abbildung 4.2 dargestellt, werden reduzierter Flächengewichte
die Sandwichvliese (braun) auf einer Pa- In den letzten Jahren gab es erhebliche Fort-
lette angeliefert, zur rot gekennzeichneten schritte beim Flächengewicht von Naturfaser-
Kontaktheizung transportiert und erwärmt. Formpressteilen, die diese sehr attraktiv für
Zusammen mit dem von der Rolle rechts zu- den Leichtbau machen. Während typische
geführten Dekor wird das Vlies oder der Filz GFK für Türinnenverkleidungen Flächenge-
dann in Formpresse auf das grün gekenn- wichte von etwa 2.200 g/m2 zeigen, kommen
zeichnete Werkzeug aufgebracht, geformt, thermoplastisch gebundene Naturfaser-Form-
gepresst und mit dem Dekor verklebt. Das pressteile heute schon auf nur 1.800 g/m2,
Endprodukt ist grau dargestellt. mit Haftvermittlern sind sogar 1.500 g/m2
möglich. Mit Duroplasten werden heute schon
Der schmelzende Thermoplast, wie z. B. Poly- 1.400 g/m2 realisiert. Das Entwicklungsziel
propylen, formt die gewünschte Struktur und sind 1.000 g/m2, manche Experten halten
verklebt das Werkstück mit dem Dekorteil. sogar 800 g/m2 für erreichbar.
Das Fertigteil muss nun nur noch mit einem
Laser beschnitten werden. Diese geringen Flächengewichte erklären,
warum in neuen Automodellen verstärkt Na-
Der große Vorteil dieses Verfahrens: In einem turfaser-Formpressteile zu finden sind, denn
Pressvorgang können komplette Innenver- diese Leichtbaulösungen ermöglichen wei-
kleidungsteile inklusive Dekor und Schaum- tere Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch
stoff sowie Soft-Touch-Oberfläche ohne Ein- und sind somit auch für die Elektromobilität
satz von Klebstoffen hergestellt und sogar sehr interessant.
mit Halterungs- und Befestigungselementen
versehen werden. Aber auch im Two-Step- Ganz neu sind Kombinationen von Form-
Verfahren gelingt die Kaschierung besonders pressen und Spritzgießen. Hierbei werden
leicht, da die Naturfaserteile luftdurchlässig beim Formpressvorgang gleichzeitig z. B.
sind. Haltelemente gespritzt und mit dem Form-
pressteil verbunden.
Neue Entwicklungen zeigen gänzlich un-
kaschierte Naturfaserteile, die lediglich mit Fließpressen
einer dünnen, transparenten oder auch far- Beim Fließpressen wird aus Naturfasern oder
bigen Folie oder einem Lack geschützt sind. Naturfaserhalbzeugen und einem duro- oder
Eine solche Fertigung ist nur bei einer sehr thermoplastischen Kunststoff zunächst eine
hohen Homogenität der Natur- oder Holzfa- sogenannte Pressmasse produziert. In das
23Werkzeug eingebracht wird sie unter Druck-
und Hitzeeinwirkung geformt. Bei Drücken
©© studio aisslinger/Michel Bonvin
von 60 bis 70 bar und Temperaturen von
130 °C bis 150 °C fließt das Harz-Faser-Ge-
misch in alle Konturen des Werkzeugs, re-
agiert der duroplastische Matrixwerkstoff
und härtet aus. Thermoplaste dagegen wer-
den auf ca. 180 °C erhitzt und härten bei der
Abkühlung. Mit diesem Verfahren lassen sich
hochfeste, große Bauteile mit unterschied- Hemp Chair von Werner Aisslinger
lichen Wanddicken herstellen. Durch das
Fließen der Pressmasse können auch kom-
plexere dreidimensionale Körper als beim Dort, wo zweidimensionale oder einfache
Formpressen hergestellt werden. Als erster dreidimensionale Bauteile mit geringer Mas-
naturfaserverstärkter, thermoplastischer Ver- se und hoher Festig- und Steifigkeit benötigt
bundwerkstoff für den Außenbereich wurde werden, können die Naturfaser-Formpress-
über mehrere Jahre eine PKW-Unterboden- teile eine attraktive technische Lösung dar-
verkleidung in Serie produziert (erste A- und stellen, wobei sich die Naturfaseroptik hier
B-Klasse von Mercedes). sogar zusätzlich als besonderes Designele-
ment einsetzen lässt. Dies gilt für transpa-
Formpressen für Tablett, Koffer und Möbel rente und weiße ebenso wie auch für farbige
Was sich im Automobilbau bewährt hat, ist Kunststoffe.
grundsätzlich auch für andere Branchen inte-
ressant. Dennoch gibt es bis heute nur weni- Bereits seit einigen Jahren gibt es Geigen-
ge Anwendungen der Naturfaser-Formpress- und Gitarrenkoffer, aber auch Aktenkoffer
technik außerhalb der Automobilbranche. aus Naturfaserwerkstoffen auf Basis von
Hanf, Kenaf und Polypropylen. Gemeinsam
sind diesen Produkten das niedrige Gewicht
und die gleichzeitig große mechanische Be-
lastbarkeit.
©© Jakob Winter GmbH
Geigenkoffer aus Naturfasern
24Im Jahr 2011 wurde der „Hemp Chair“ auf Ökobilanz-Studien. Von der Wiege bis zum
der Mailänder Möbelmesse vorgestellt. Hanf Fabriktor der Autofabrik verbrauchen Hanf-
und Kenaf bilden die Basis für den Verbund- faser-Formpressteile zwischen 25 und 75 %
werkstoff, der durch Verpressen mit einem weniger Energie als ihre konventionellen
wasserbasierten Duroplast seine hohe me- Gegenstücke. Das sind beachtliche Werte,
chanische Belastbarkeit erhält. Die Tech- die nur von wenigen Biowerkstoffen erreicht
nologie, die in der Automobilproduktion werden. Bezogen auf die Einsparung von
etabliert ist, wurde bisher bei der Möbelher- Treibhausgasen liegen die Werte zwischen
stellung noch nicht genutzt, könnte aber in 12 und 55 %. Bezieht man zudem den
vielen Anwendungen zum Einsatz kommen. CO2-Speichereffekt der Naturfaser-Bauteile
mit ein, so ergeben sich sogar Einsparungen
Ökologische Bewertung von zwischen 28 und 74 %.
Naturfaser-Formpressteilen
Ökologische Vorteile sind ein weiterer, Noch weitaus mehr Energie lässt sich wäh-
wichtiger Pluspunkt für naturfaserverstärkte rend der Laufzeit des Fahrzeugs einsparen.
Kunststoffe. Im Rahmen einer nachhaltigen Da die Verkleidungen aus Naturfasern leich-
Wirtschaft erlangt dieser Aspekt zunehmend ter sind als beispielsweise aus glasfaserver-
an Bedeutung. stärkten Kunststoffen (GFK), benötigt das
Fahrzeug auch weniger Kraftstoff. Und auch
In den letzten Jahren wurden in Deutschland nach der Nutzungsphase werden geschlos-
eine Reihe von Sach-, Energie- und Ökobi- sene Kreisläufe und optimale Verwertungs-
lanzen erstellt, die Naturfaser-Formpresstei- und Entsorgungsoptionen angestrebt, um
le mit bisherigen Werkstofflösungen vergli- den gespeicherten bio-basierten Kohlenstoff
chen. In praktisch allen Fällen schnitten die und die enthaltene Energie so lange wie
NFK besser ab. möglich zu nutzen.
Eine Meta-Analyse bestehender Ökobilan- Ist ein Recycling nicht mehr möglich, wer-
zen aus dem Jahr 2011 [6] bestätigt positi- den die NFK-Teile meist einer energetischen
ve Eigenschaften der Naturfaser-Formpress- Verwertung zugeführt, wobei dies für den
teile. Alle analysierten Studien zeigten klare Naturfaseranteil – und im Falle einer bio-
Einsparungen für die Hanffaser-Formpress- basierten Matrix auch für diesen Teil – weit-
teile im Energiebedarf und den Treibhaus- gehend CO2-neutral erfolgt. Bei thermoplas-
gasemissionen im Vergleich zu ihren petro- tischem Spritzgießen (s. Kap. 4.3) können
chemischen bzw. mit Glasfasern verstärkten die NFK-Bauteile sogar stofflich wiederver-
Gegenstücken. wertet werden. Aus dem Altmaterial kann
in einem Rezyklierungsprozess neues Gra-
Abbildung 4.3 zeigt die Ergebnisse für den nulat hergestellt werden; bei Naturfasern
Energiebedarf fünf unterschiedlicher Hanf- leidet der Werkstoff hierbei weniger als bei
faser-Materialien aus unterschiedlichen Glasfasern.
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