Processing and optimising the mechanical and physical properties of natural fibre reinforced polypropylene composites

Naturfaserverstarkte thermoplastische Verbundwerkstoffe weisen sehr attraktive Vorteile auf. Diese sind z.B. ein geringes Gewicht, geringere Kosten und ihren okologisch neutralen Footprint. Trotzdem behindern die Probleme, die bei der Verarbeitung des Naturfaserverbundmaterials auftreten, eine mogliche Verbreitung im Composite-Markt. Diese Probleme treten haufig bei den Optimierungsvorgangen der Behandlungen von Faser/Matrix Kopplungen zur Verbesserung der der Faser/Matrix Haftung auf. Mogliche Ansatze zur Technologieanpassung und zur Ermittlung optimierte Parameter bei der Kompoundierung und Verarbeitung stellen ebenfalls grose Herausforderungen dar. Dazu kommen die fehlenden Informationen bezuglich der Einflusse der funktionalen Additive der Verarbeitungstechniken und der resultierenden Verbundeigenschaften. Diese mussen angedeutet werden, um die Notwendigkeit dieses Problems besser zu verstehen und zu uberwinden. Die vorliegende Arbeit thematisiert das Polypropylen-Flachs-System als Fallstudie und ist in vier Teile bzw. Themen gegliedert. Das Ziel ist die gezielte Optimierung ausgewahlter mechanischer und physikalischer Eigenschaften des Endprodukts. Das erste Thema in dieser Arbeit beschaftigt sich mit den verschiedenen Behandlungen der Faser und Polymermatrix. Die Faserbehandlung wurde bisher entweder nur durch Alkalisation oder auch in Kombination mit Trimethoxy vinylsylan oder Acrylsaure durchgefuhrt. Zur Veredelung der Polypropylen Matrix wurde sie mit trimethoxy vinylsylan, durch mit Maleinsaureanhydrid gepfropftes Polypropylen oder mit durch Acrylsaure gepfropften Polypropylen behandelt. Allerdings ist in der Regel die passenden Menge und Art des Kopplungsmittels umstritten. Nachdem die optimale Mischung gefunden wurde, wird darauf aufbauend die Untersuchung der Kompoundierungsparameter bei der Extrusion als zweites Thema dieser Arbeit betrachtet. Verschiedene Extruderkonfigurationen und Schneckengeschwindigkeiten (Drehzahlen) wurden in Bezug auf ihre Auswirkung auf die Fasergrose und die resultierenden mechanischen Eigenschaften untersucht. Der Fokus des dritten Themas liegt auf der Optimierung der Spritzgiesparameter, wie z.B. der Schmelztemperatur, dem Einspritzdruck, der Werkzeugtemperatur und der Schneckendrehzahl in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften und das Fliesverhalten. Der letzte Teil dieser Arbeit widmet sich der Untersuchung des Einflusses der funktionalen Additive auf den Faserverbund. Aufgrund der hohen Bedeutung des Impaktverhaltens des thermoplastischen Faserverbundes wurden unterschiedliche Methoden untersucht, um die Schlagzahigkeit zu verbessern. Als Beispiel zu nennen sind Weichmacher (Triacetin bis zu 20 Gew.-%), Elastomer (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer bis zu 10 Gew.-%) sowie die Hybridisierung von Flachs mit einem hohen Anteil an zellulosehaltigen Nesselfasern. Zudem wurde der Einfluss unterschiedlicher Flammschutzmittel untersucht, wie z.B. anorganische Hydrate, Halogene und halogenfreie Dammschichtbildner, wobei Synergisten (Antimontrioxid und Nanotonerden) mit 30 und 50 Gew.-% Flachs/PP-Compositen untersucht wurden. Auserdem wird die mogliche Optimierung des Aluminiumtrihydratgehalts Polypropylen/Flachs im Verbundwerkstoffen mit Bezug auf den Flammschutz (Flammhemmung) und die mechanischen Eigenschaften untersucht. Als erstes muss als Grundlage fur die Ergebnisse der vier Themen, die optimalen Behandlungsmethoden fur die Faser und die Polymermaterix definiert werden. Flachsfasern, die durch Alkalinisation und Polypropylenmatrizen, die durch Maleinsaureanhydrid gepfropftes Polypropylen behandelt wurden, zeigen die besseren Eigenschaften gegenuber den anderen Moglichkeiten der Behandlung. Anschliesend werden die optimalen Zusammensetzungen fur geplanten Eigenschaften tabellarisch zusammengefasst. Als zweiter Punkt lasst sich hinsichtlich des Extruders zusammenfassend sagen, dass die Multi- Prozess Elemente und Zahnelemente auf einen moglichen signifikanten positiven Einfluss auf die mechanische Eigenschaften des Faserverbundes hin uberpruft werden. Die Fasergrose wird dann statistisch mittels einer Weibull-Verteilung Funktion dargestellt. Im dritten Schritt soll es sich anhand der Ergebnisse beweisen lassen, dass Fasermorphologie, Werkzeugtemperatur, Schmelztemperatur und Einspritzdruck eine bedeutende Rolle auf die Qualitat der mechanischen Eigenschaften und des Fliesverhaltens des Verbundes haben. Ein empirisches Modell wurde fur die Fasergehaltsverteilung etabliert. Schlieslich steht die Schlagzahigkeit in Vordergrund, welche durch den Einsatz von Brennesselfasern gegenuber Triacetin und EPDM deutlich verbessert wurde. Parallel dazu zeigte das Flammschutzmittel Ammoniumpolyphosphat die besten Ergebnisse, jedoch erreichte das mineralische Aluminiumtrihydrat nach der Optimierung zu 40 Gew.-% ein gleichhohes Flammschutzniveau.