Verbundwerkstoff aus Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid...

H. Korte, A. Krause, M. Funk: Verbundwerkstoff aus Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid 6, Werkstoff Woche Dresden, 14. – 17.09.2015

Verbundwerkstoff aus

Hochausbeuteholzkohlen

und Polyamid 6

H. Korte (V), Dr. Hans Korte Innovationsberatung Holz & Fasern, Wismar ; A. Krause, Universität Hamburg; M. Funk, Georg-August-Universität Göttingen


Überblick

• Einordnung in Verbundwerkstoffe

• Was sind Hochausbeuteholzkohlen

• Herstellung von Hochausbeuteholzkohlen

• Thermostabilitäten von Fichten und Buchenholzkohlen

• Fazit Thermostabilitäten

• Herstellung der Verbundwerkstoffe und Prüfkörper

• Produkteigenschaften

• mit pyrolysierter Buche und Fichte

• mit Holzkohle und Additiven

• im Vergleich mit mineralischen Füllstoffen

• im Vergleich mit Holz-Polymer-Verbundwerkstoffen

• Fazit


Einordnung in Verbundwerkstoffe

Ein Verbundwerkstoff oder Kompositwerkstoff ist ein Werkstoff aus zwei oder

mehr verbundenen Materialien, der andere Werkstoffeigenschaften besitzt als

seine einzelnen Komponenten. Für die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe

sind stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung*.

*modifiziert nach: https://de.wikipedia.org/wiki/Verbundwerkstoff, Zugriff 10.08.2015

Der Verbundwerkstoff aus Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid 6 gehört zu:

Faser- bzw. Partikelverbundwerkstoffen

naturfaser- bzw. -partikelverstärkter Kunststoffverbunden

naturfaser- bzw. partikelverstärkte Thermoplasten, wie z.B.

Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (Wood-Plastic Composite, WPC)


Was sind Hochausbeuteholzkohlen

Hochausbeuteholzkohlen sind Holzkohlen, die durch Pyrolyse bei relativ niedrigen

Temperaturen, die im Bereich von 240° bis 300 °C liegen, hergestellt werden,

wobei die autothermale exotherme Holzkohlereaktion vermieden bzw. unterdrückt

wird. Die Holzkohlereaktion beginnt unter Sauerstoffabschluss bei ca. 275 °C und

erhitzt das Produkt bis auf ca. 400 °C, wobei ein Großteil flüchtiger Produkte

ausgetrieben wird. Die Massenausbeute liegt bei ca. 35%.

Bei Hochausbeutekohlen liegt die Masseausbeute bei ca. 70%.

Durch die Verkohlung wird die Lignicellulose hydrophobiert und gegenüber

Temperaturbelastung stabilisiert.

Im Vergleich zu nicht pyrolysiertem Holz nehmen Hochausbeuteholzkohlen (fast)

keine Feuchtigkeit auf und sind bei Temperaturen > 200 °C ohne Geruchs-

problematik zu verarbeiten, wodurch technische Thermoplaste wie Polyamide als

Matrixmaterialien zugänglich werden.


Herstellung von Hochausbeuteholzkohlen

Als Rohstoff wurden selbst hergestellte Fichtenspäne (F) und Buchenspäne (B)

sowie kommerzielle Fichtenspäne (C) in einem Horizontaltrockner mit 1,5 °C/min

bis zur Zieltemperatur aufgeheizt und dann auf den Zieltemperaturen bei 200 °C,

230 °C und 260 °C für 0 h, 1 h bzw. 3 h gehalten.

200°C 230°C 260°C

0 Stunden B1 / F1 B2 / F2 B3 / F3 / C3

1 Stunde B4 / F4 B5 / F5 B6 / F6 / C6

3 Stunden B7 / F7 B8 / F8 B9 / F9 / C9

B0 / F0 = unbehandelt

Indikator für die Thermostabilität ist der Masseverlust der Proben bei erneutem

Aufheizen bis auf 260 °C (TGA mit N2).

Aufheizgeschwindigkeit: in 12 min auf 260 °C

20 min Temperatur halten bei 260 °C


Thermostabilität der Buchenvarianten 260 °C


Thermostabilität der Fichtenvarianten 260 °C


• Mit zunehmender Behandlungsintensität (Zeit und Temperaturhöhe) nimmt die

Thermostabilität der behandelten Hölzer zu.

• Die höchste Thermostabilität wird bei 260 °C erhalten

• Es werden keine Unterschiede zwischen einer Behandlungsdauer von 1 h und

3 h gefunden

• Die Unterschiede zwischen Fichtenholz und Buchenholz sind bei intensiver

Behandlung (hohe Temperatur, lange Verweilzeit) gering

• Die Unterschiede durch Partikelgrößen zwischen selbst hergestellten und

kommerziell bezogenen Spänen sind gering.

Fazit Thermostabilität


Herstellung der Verbundwerkstoffe

Die Bestandteile Hochausbeuteholzkohlen und Polyamid 6 sowie Additive, wie

z.B. Haftvermittler und/oder Schlagzähmodifikatoren wurden auf einem parallelen,

gleichlaufenden Doppelschneckenextruder (Leistriz ZSE 27) compoundiert.

Alle Komponenten wurden am Haupteinzug dosiert.

Die Entgasung erfolgte an einer atmosphärischen und einer Vakuumentgasung.

Die Compounds wurden anschließend auf einer Spritzgussmaschine nach

EN ISO 527 zu Prüfkörpern gespritzt.

Die Prüfkörper wurden frisch (trocken) mechanisch nach EN ISO 178, 527, 179,

auf Biege- Zug- und Schlagbiegefestigkeit sowie auf ihr Wasseraufnahme-

(EN ISO 62) und Quellverhalten geprüft.


Produkteigenschaften mit pyrolysierter Fichte und Buche

(trocken geprüft)

Physik.-mechanische

Eigenschaften

Einheit PA6

100%

C6

30%

C3

50%

B3

30%

B6

30%

Zug-E-Modul [N/mm2] X 2764 4430 5610 4279 4078

σ 261 42 120 40 137

Biege-E-Modul [N/mm2] X 1839 3408 5252 3622 3441

σ 66 58 85 56 55

Zugfestigkeit [N/mm2] X 64,0 48,5 69,6 39,9 35,8

σ 3,8 5,9 1,8 2,4 2,8

Biegefestigkeit [N/mm2] X 64,4 99,3 121 98,3 92,9

σ 1,6 2,1 1,4 4,0 3,9

Charpy-Schlagzähigkeit [kJ/m2] X 10,3 15,3 7,1 7,9

σ 1,2 3,2 1,2 1,5

Charpy-Kerbschlagzähigkeit [kJ/m2] X 7,8 1,5 1,8 1,3 1,3

σ 0,22 0,3 0,2 0,1 0,1

Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 3,40 5,65 3,81 3,3


Produkteigenschaften mit Holzkohle und Additiven

(trocken geprüft)

BK = kommerzielle BioKohle

A1 = Mit Maleinsäureanhydrid funktionalisiertes Ethylenbutylacrylat-Copolymer

A2 = Mit Maleinsäureanhydrid funktionalisiertes Polystyrol

Physik.-mechanische

Eigenschaften

Einheit PA6

100%

BK 30% BK 30%

+A1 10%

BK 30%

+A2 10%

Zug-E-Modul [N/mm2] X 2764 5142 3354 4798

σ 261 56 49 72

Biege-E-Modul [N/mm2] X 1839 5140 2902 4155

σ 66 38 45 34

Zugfestigkeit [N/mm2] X 64,0 43,5 40,1 47,9

σ 3,8 5,2 3,1 1,9

Biegefestigkeit [N/mm2] X 64,4 72,8 71,3 83,7

σ 1,6 3,5 1,5 4,5

Charpy-Schlagzähigkeit [kJ/m2] X 5,1 19,7 7,3

σ 2,2 4,2 0,95

Charpy-Kerbschlagzähigkeit [kJ/m2] X 7,8 1,6 2,8 1,1

σ 0,22 0,1 0,16 0,3

Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 2,37 2,62 2,23


Vergleich mit mineralischen Füllstoffen (trocken geprüft)

Physik.-mechanische

Eigenschaften

Einheit PA6

100%

C6

30%

G-Faser

30%

G-Kugel

30%

Wollast.

30%

(berechnete) Dichte [g/cm³] 1,14 1,22 1,58 1,58 1,67

Dichtezunahme [%] 0 7 38 38 46

Zug-E-Modul [N/mm2] X 2764 4430 7.018 4.127 4.823

σ 261 42 98 84 47

Biege-E-Modul [N/mm2] X 1839 3408 6748 3976 4581

σ 66 58 116 26 76

Zugfestigkeit [N/mm2] X 64,0 48,5 114,75 71,91 62,01

σ 3,8 5,9 5,34 0,34 0,58

Biegefestigkeit [N/mm2] X 64,4 99,3 193,4 118,8 110,6

σ 1,6 2,1 3,78 0,42 1,17

Charpy-Schlagz. [kJ/m2] X 10,3 78,27 69,89 40,22

σ 1,2 7,68 4,60 1,79

Charpy-Kerbschlagz. [kJ/m2] X 7,8 1,5 5,89 3,25 3,06

σ 0,22 0,3 0,55 0,33 0,07

Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 3,40 3,53 4,45 3,79


Vergleich mit WPC (trocken geprüft)

Physik.-mechanische

Eigenschaften

Einheit PA6

100%

C6

30%

PP

MFI 20

*WPC

W 50%

PP

MFI 0,3

*WPC

W 70%

(berechnete) Dichte [g/cm³] 1,14 1,22 0,91 1,18 0,91 1,29

Dichtezunahme [%] 0 7 0 27 0 38

Zug-E-Modul [N/mm2] X 2764 4430 1500 4600 1300 5700

σ 261 42 100 200 100 150

Biege-E-Modul [N/mm2] X 1839 3408 1100 4100 1250 5800

σ 66 58 50 100 30 400

Zugfestigkeit [N/mm2] X 64,0 48,5 26,5 34,5 28 30

σ 3,8 5,9 0,5 2 0,3 1,5

Biegefestigkeit [N/mm2] X 64,4 99,3 37 59,5 57

σ 1,6 2,1 0,5 1 4

Charpy-Schlagz. [kJ/m2] X 10,3 10,0 6,5

σ 1,2 0,4 0,3

Charpy-Kerbschlagz. [kJ/m2] X 7,8 1,5 2,0 5,0 5,8 4,3

σ 0,22 0,3 0,2 0,6 1,0 0,6

Wasseraufnahme 14d [%] X 3,89 3,40 0 9 0 15,5

• Baranyai F., Korte H. 2013: Comparison of 13 different compounding technologies for WPC ‐ Technical results;

5th German WPC Conference 10 .– 11. Decembre 2013 Maritim Hotel, Cologne


Fazit

• Hochausbeutekohlen können mit technischen Polymeren wie PA 6

compoundiert und verarbeitet werden, ohne thermisch abgebaut zu werden

(kein Rauch, kein Brandgeruch, keine Farbverdunkelung )

• Im Vergleich zu WPC sind deutlich höhere Festigkeiten erreichbar

• Im Vergleich zu WPC sind deutlich geringere Wasseraufnahmen möglich

• Bei Compounds mit PA 6 und 30% Füllstoff werden im Vergleich zu

anorganischen Füllstoffen die Festigkeiten nur annähernd erreicht.

• Die Dichtezunahme ist mit 7% deutlich geringer als bei anorganischen

Füllstoffen mit 38 – 46%.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) der

Bundesrepublik Deutschland für die Förderung im Programm „ZIM“ beim

Projektträger AIF unter dem Förderkennzeichen KF 2454607GZ2

Date post:	24-Oct-2019
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