Untersuchung, wie sich der Fasergehalt auf die mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen mit Flachs- und Ananasblättern auswirkt

In einer neuen Studie wurde die Verstärkungseffizienz von Ananasblattfasern (PALF) und kultivierten Flachsfasern in Poly(butylensuccinat)-Verbundwerkstoffen verglichen. PALF, eine weniger erforschte, aber potenziell nachhaltige Alternative, übertraf mit 20 Gew.-% die Leistung von Flachs, was sein Potenzial für Hochleistungs-Bioverbundstoffe unter Beweis stellte und im Einklang mit Umweltzielen stand.

Der Schwerpunkt dieser Forschung liegt auf einer umfassenden Untersuchung der Verstärkungsfähigkeiten von zwei unterschiedlichen Naturfasern, nämlich Ananasblattfasern (PALF) und Kulturflachsfasern, im Kontext von unidirektionalen Poly(butylensuccinat) (PBS)-Verbundwerkstoffen. Das Hauptziel besteht darin, die mechanische Effizienz dieser Fasern als potenzielle Verstärkungen in Polymerverbundwerkstoffen zu erkennen und zu vergleichen.

Flachs, bekannt für seine robusten mechanischen Eigenschaften, ist ein Maßstab für den Vergleich mit PALF, das eine weniger erforschte, aber potenziell nachhaltige Alternative darstellt. Zur systematischen Leistungsbewertung wurden Kurzfasern mit einer Länge von 6 mm in unterschiedlichen Gewichtsprozenten, nämlich 10 % und 20 %, in die Verbundwerkstoffe eingearbeitet.

Der Herstellungsprozess umfasste das Mischen in einer Zweiwalzenmühle und die anschließende Herstellung uniaxial ausgerichteter Prepreg-Platten, die anschließend zu Verbundmaterialien formgepresst wurden. Die 10 Gew.-%igen Verbundformulierungen aus PALF und Flachs zeigten bemerkenswert ähnliche Spannungs-Dehnungs-Kurven, was auf ein vergleichbares mechanisches Verhalten bei dieser Konzentration schließen lässt.

Eine interessante Wendung nahm die Studie jedoch auf der Ebene von 20 Gew.-%, wo PALF trotz seiner inhärent geringeren Zugeigenschaften unerwarteterweise die Leistung von Flachs übertraf. Dieses unerwartete Ergebnis veranlasste eine detailliertere Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von PALF auf der 20-Gew.-%-Ebene. PALF/PBS-Verbundwerkstoffe zeigten beeindruckende mechanische Eigenschaften und erreichten eine Biegefestigkeit von 70,7 MPa, einen Biegemodul von 2,0 GPa und eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 107,3°C.

Im Gegensatz dazu zeigten die entsprechenden Flachs/PBS-Verbundwerkstoffe mit einer Biegefestigkeit von 57,8 MPa, einem Biegemodul von 1,7 GPa und einer Wärmeformbeständigkeit von 103,7 °C etwas niedrigere Werte. Diese vergleichende Analyse liefert wertvolle Einblicke in das Potenzial von PALF als Verstärkungsmaterial, insbesondere bei höheren Konzentrationen.

Ergänzend zur mechanischen Analyse wurden Röntgenpolfiguren verwendet, um die Matrixausrichtungen sowohl in PALF/PBS- als auch in Flachs/PBS-Verbundwerkstoffen zu beurteilen. Die Ergebnisse zeigten ähnliche Matrixorientierungen, was darauf hindeutet, dass die strukturelle Integrität der Verbundwerkstoffe insgesamt trotz der Unterschiede im Fasertyp vergleichbar war.

Weitere Untersuchungen umfassten die Untersuchung extrahierter Fasern, um Unterschiede im Bruchverhalten aufzuklären. Diese mikroskopische Analyse enthüllte unterschiedliche Merkmale in den Bruchmustern von PALF- und Flachsfasern und gab Aufschluss über die zugrunde liegenden Mechanismen, die ihre mechanische Leistung beeinflussen.

Zusammenfassend unterstreicht diese Forschung das erhebliche Potenzial von PALF als nachhaltige Verstärkungsoption für Hochleistungs-Biokomposite. Die unerwartete Überlegenheit von PALF bei höheren Konzentrationen stellt herkömmliche Annahmen über seine Zugeigenschaften im Vergleich zu Flachs in Frage.

Die Förderung der Einführung von PALF in Verbundwerkstoffen erweitert nicht nur das Repertoire an nachhaltigen Alternativen, sondern steht auch im Einklang mit umfassenderen Umweltzielen und fördert die Entwicklung umweltfreundlicher und mechanisch robuster Materialien für verschiedene Anwendungen.

Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Polymere.