Wood-Plastic-Com­pos­ites (WPC)

The composite material WPC, which consists of a polymer matrix, wood fibers, and suitable additives, has been an integral area of the KTP´s research for several years. In comparison to pure polymer, such compounds offer increased strength and stiffness; they are used, among other things, in outdoor living areas as a wood substitute because of their resistance to weather-related influences. One growing market for WPC is the furniture industry; consequently, there is an increased need for research in the area of WPC-injection molding.

The following gives an overview of research foci in this area:

WPC and its Components Enlarge image

Injection Molding 

  • back-injection molding
  • sandwich-molding
  • fill and flow behavior of WPC-melt 

Compounding Process 

  • process optimization
  • screw and barrel design
  • alternative compounding methods (internal mixers) 

Formula Development

  • optimization of mechanical properties based on application
  • targeted manipulation of absorption behavior 

Bonding

  • surface pretreatment (laser treatment, mechanical processing)
  • surface activation using plasma

Naturfasergefüllte Kunststoffe, wie Wood-Plastic-Composites (WPC), eignen sich aufgrund der geringeren Dichte von Holz gegenüber mineralischen Füllstoffen hervorragend für den Einsatz als leichte Konstruktionswerkstoffe. Des Weiteren besitzen sie gegenüber reinem Holz eine höhere dreidimensionale Gestaltungsfreiheit und Feuchteresistenz. Im Vergleich zu Mono-Kunststoff weist WPC eine höhere Steifigkeit und einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.

Neben den positiven Eigenschaften treten jedoch häufig Probleme bei der Verarbeitung von WPC mit einem Füllstoffgehalt oberhalb 40 Gew.-% beim Spritzgießprozess auf. Statt einer regulären Quellströmung sind während der Formteilfüllung Fließanomalien oder Entmischung zu beobachten. Eine solche Entartung ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Das Forschungsvorhaben in Kooperation mit dem SKZ in Würzburg hatte zum Ziel, das Fließverhalten der hochgefüllten WPCs zu optimieren. Dazu wurden dem WPC physikalische und chemische Treibmittel zugefügt. Das Formfüllverhalten wurde mittels eines Werkzeuges mit einem speziellen Glaseinsatz im Spritzgießprozess aufgezeichnet und ausgewertet. Außerdem wurden die Zellmorphologie und die spezifischen mechanischen Eigenschaften für dickwandige Prüfkörper bis 12 mm Wandstärke untersucht, um dem Spritzgießverarbeiter einen Leitfadenkatalog für das Schäumen von WPC bereitzustellen.

Genauer Informationen zu diesem Projekt finden Sie hier: Projektbericht

Wood-Plastic-Composites (WPC) sind seit Jahren fester Bestandteil der kunststoff-verarbeitenden Industrie. Der Verbundwerkstoff ist eine Kombination aus Holzfasern und einer Kunststoffmatrix, sodass verbesserte mechanische sowie optische Eigenschaften und eine gesteigerte Witterungsresistenz erzielt werden können. Grundsätzlich werden WPC auf Basis einer kostengünstigen Thermoplastmatrix, wie z.B. Polypropylen oder Polyethylen, extrudiert oder spritzgegossen. Die Herstellung eines WPC auf Basis eines Thermoplastischen Elastomers (TPE) ist bisher in nur sehr geringem Maße erforscht. Diestel et al. und Nagatani et. al. beschreiben das Pressen von WPC auf Basis einer Matrix aus thermoplastischem Polyurethan (TPU), bzw. thermoplastischen Vulkanisaten (TPV). Eine Untersuchung zur Spritzgießtechnologie von WPC mit TPU-Matrix ist bis dato nicht bekannt. Diese Forschungslücke soll in diesem Forschungsvorhaben geschlossen werden, sodass ein kostengünstiges und einfach verarbeitbares WPC mit guten optischen, haptischen und mechanischen Eigenschaften (Dämpfungsverhalten), sowie hohem Recyclingpotential generiert und der kunststoffverarbeitenden Industrie zur Verfügung gestellt werden kann. 

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuen Werkstoffes in der Materialklasse Wood-Plastic-Composite, sowie die Charakterisierung der Materialeigenschaften für eine erfolgreiche Anwendung im Spritzgießprozess. Insbesondere das Fließverhalten des holzfaserverstärkten, thermoplastischen Elastomers, sowie die Einstellung der Faserlängenverteilung und der Faserorientierung können hierbei als charakteristische Größen für einen erfolgreichen Spritzgießprozess eruiert werden. Zusätzlich wird eine umfassende Untersuchung hinsichtlich des Recyclings von Holzfasern (z.B. Spanplatten o.ä.), TPU, sowie WPC durchgeführt und der daraus folgende Einfluss auf die Produktqualität quantifiziert. Um abschließend eine Holz-WPC-Verbundstruktur für die Anwendung in der Möbelbranche, im Automotive oder der Sportindustrie zu ermöglichen, ist eine ausgiebige Untersuchung der Oberflächencharakteristika unabdingbar.

Genauer Informationen zu diesem Projekt finden Sie hier: Projektbericht

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