Wie lassen sich rezyklierte Kunststoffe und Naturfasern zu leistungsfähigen Verbundwerkstoffen kombinieren? Dieser Frage ist ein Forschungsteam der Hochschule Bremen (HSB) und des Fraunhofer-Instituts UMSICHT nachgegangen. Die jetzt in der Fachzeitschrift Composite Interfaces veröffentlichte Studie zeigt, welche besonderen Herausforderungen entstehen, wenn Flachsfasern in rezykliertes Polypropylen aus Post-Consumer-Abfällen eingebracht werden und wie sich dennoch leistungsfähige Verbundwerkstoffe mit einem hohen Rezyklatanteil herstellen lassen.
Eine gute Haftung zwischen Flachsfaser und Kunststoffmatrix ist entscheidend für die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs. Bei neuem Polypropylen lässt sich diese Haftung durch einen etablierten Haftvermittler deutlich verbessern. Beim untersuchten Rezyklat funktioniert dieser Ansatz jedoch nicht wie erwartet. Die Forschenden haben unter anderem Fremdpolymere sowie verschiedene Additive und Alterungsprodukte im Material nachgewiesen, die die Haftung zwischen Faser und Matrix beeinflussen können. Mit einem angepassten Masterbatch-Konzept ist es schließlich gelungen, einen Flachsfaserverbundwerkstoff mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften und einem Rezyklatanteil von 67 Prozent herzustellen.
Erstautor Alexander Behrens arbeitet in der Arbeitsgruppe Biologische Werkstoffe von Professor Dr. Jörg Müssig an der Hochschule Bremen und promoviert in Kooperation mit Professor Dr. Carsten Mai an der Georg-August-Universität Göttingen. Seine Forschung konzentriert sich insbesondere auf Naturfaserverbundwerkstoffe und die Wechselwirkungen zwischen Faser und Kunststoffmatrix.
„Rezykliertes Polypropylen ist kein Werkstoff mit immer identischen Eigenschaften. Gerade bei Post-Consumer-Werkstoffen können unterschiedliche Polymere, Additive und Alterungsprodukte enthalten sein. Für uns war deshalb besonders spannend, zu untersuchen, wie sich diese komplexe Zusammensetzung auf die Haftung zwischen Flachsfaser und Kunststoffmatrix auswirkt“, sagt Alexander Behrens. „Wenn wir Rezyklate künftig verstärkt für hochwertige Verbundwerkstoffe einsetzen wollen, müssen wir diese Zusammenhänge verstehen und bei der Werkstoffentwicklung berücksichtigen.“
Professor Dr. Jörg Müssig von der AG Biologische Werkstoffe am Bionik-Innovations-Centrum der Hochschule Bremen betont die Bedeutung der Arbeiten für eine nachhaltige Werkstoffentwicklung: „Die Kombination von Naturfasern mit bereits genutzten Kunststoffen ist ein spannender Ansatz für eine stärker kreislauforientierte Wirtschaft. Die Arbeit zeigt zugleich, dass Rezyklate besondere Herausforderungen mit sich bringen. An der HSB wollen wir genau diese wissenschaftlich verstehen und daraus technisch zuverlässige Werkstoffkonzepte entwickeln.“
Die Veröffentlichung ist zugleich ein Beispiel für die Zusammenarbeit in der Nachwuchsförderung zwischen der Hochschule Bremen und der Georg-August-Universität Göttingen. Behrens verbindet in seiner kooperativen Promotion die Forschung der Arbeitsgruppe Biologische Werkstoffe an der HSB mit der wissenschaftlichen Betreuung durch Professor Dr. Carsten Mai in Göttingen.
Die Studie zeigt, dass bei der Entwicklung von Naturfaserverbundwerkstoffen aus Post-Consumer-Kunststoffen nicht allein der Rezyklatanteil entscheidend ist. Ebenso wichtig ist ein genaues Verständnis der Zusammensetzung des Rezyklats sowie der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix. Damit liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung leistungsfähiger Werkstoffe, die nachwachsende Rohstoffe und die Rezyklierung von Kunststoffen miteinander verbinden.