Wasserfeste Ausrüstung durch Wasserglaszusatzbehandlung für naturfaserverstärkte Kunststoffe
Final Report Abstract
Der Einfluss der Wasserglasbehandlung von Naturfasern wurde an einem duroplastischen Naturfaserkunststoffyerbund (NFKV) und an thermoplastischen Verbunden mit den Matrices Polypropylen und Polyamid 12 untersucht. Die Zielsetzung der Arbeit bestand darin, für ein naturfaserverstärktes Polymermaterial die Feuchtigkeits- und Wasseraufnahme durch eine geeignete Zusatzbehandlung mit Wasserglas zu minimieren. Das Wasserglas sollte im Verbund gleichzeitig als Bindemittel, Hydrophobierungs- und Flammschutzmittel wirken. Die mechanischen Kennwerte der duroplastischen NFKV streuten sehr stark und erwiesen sich als sehr niedrig. Die Wasseraufnahme wurde, entgegen der Entartung, durch die Wasserglasbehandlung erhöht. Die angestrebte flammhemmende Wirkung des Wasserglases konnte nachgewiesen werden. Insbesondere die mechanischen Eigenschaften wurden deutlich verschlechtert. Das saure Matrixsystem wird in Kombination mit der alkalischen Wasserglaslösung in seiner Reaktionsfähigkeit negativ beeinflusst. Diese Inkompatibilität konnte nicht umgangen werden. Thermoplastische Matrices werden in ihrer polymehsierten Form verarbeitet, daher kann das Wasserglas nicht nachteilig in die Polymerisationsreaktion eingreifen. Um die grundsätzliche Wirksamkeit der Wasserglasausrüstung zu bewerten, wurden deshalb die weiteren Arbeiten mit thermoplastischen Materialien durchgeführt. Ausgewählt wurde die unpolare Matrix Polypropylen (PP) und die polare Matrix Polyamid 12 (PAI 2), da sie bei 190 °C und damit kompatibel zu Naturfasern verarbeitbar sind. Die Behandlung der Naturfasern mit Wasserglas zeigt mehr oder minder deutliche Effekte auf alle untersuchten Eigenschaften der Verbünde. Mit zunehmenden Wasserglasanteilen wird nach anfänglich teilweise sogar leichter Steigerung von Modul und Festigkeit (für PP) ein deutlicher Abfall in den Eigenschaften beobachtet. Bezüglich Schlagzähigkeit ergibt sich beim unpolaren PP eine negative Wirkung der Wasserglasbehandlung. Beim polaren PAI 2 zeigt sich hier praktisch keine Beeinflussung. Die Wasserglasbehandlung führt zu einer Erhöhung der Wasseraufnahme und zeigt damit wiederum nicht die erwartete Wirkung. Wie bei der duroplastischen Matrix wird auch bei der thermoplastischen Matrix eine deutlich flammhemmende Wirkung erzielt. Die Untersuchung von PP-Gefrierbruchproben am Rasterelektronenmikroskop zeigte, dass das Wasserglas in einer Schicht um die Naturfasern angeordnet ist und sich die Matrix in den Zwischenräumen der ummantelten Faserbündel befindet. Diese optisch auffallende Wasserglasschicht konnte durch EDX-Analysen zweifelsfrei bestimmt werden. An Faserbündeln, die aus der Bruchfläche herausragten, waren Reste der Ummantelung erkennbar. Zwischen der Wasserglasschicht und der Matrix sind deutliche Spalten erkennbar. Das Wasserglas geht mit den Naturfasern eine intensivere Bindung ein als mit dem unpolaren PP. Für PA12 ergibt sich ein abweichendes Verhalten. An den aus der Bruchfläche herausragenden Naturfaserbündeln zeigen sich seltener Wasserglasschichten und an der Basis der herausragenden Naturfasern ist eine Lücke zwischen der Wasserglasschicht und dem Faserbündel erkennbar. Die Haftung des Wasserglases zum PA12 ist höher, als zu dem Faserbündel. Die angestrebte gleichzeitige hydrophobierende und flammhemmende Ausrüstung durch den Einsatz von Wasserglas lässt sich nicht umsetzen. Die nachgewiesene positive flammhemmdende Wirkung des Wasserglases lässt sich mit konventionellen Flammschutzmitteln gleichermaßen umsetzen. Vor diesem Hintergrund wird von einer weitergehenden Bearbeitung des Themenkomplexes angesehen.
Publications
- Water Glass as hydrophobic and flame retardant additive for natural fiber reinforced composites. Proceedings "13th European Conference on Composite Materials" (ECCM13), June 2-5, 2008, Stockholm, Sweden
Luisa A. Medina, Ralf Schledjewski
