Wood-Plastic-Composites (WPC)

Der Verbundwerkstoff WPC, bestehend aus einem Polymer, Holzfasern und geeigneter Additivierung, ist seit einigen Jahren ein fester Bestandteil der Forschung der Kunststofftechnik Paderborn. Gegenüber dem reinen Polymer bietet das Compound erhöhte Festigkeiten und Steifigkeiten und findet aufgrund der Witterungsbeständigkeit insbesondere im Außenbereich als Holzersatz Anwendung. Ein wachsender Markt für WPC ist die Möbelindustrie, was u.a. den erhöhten Forschungsbedarf im Bereich des Spritzgießens zur Folge hat.

Im Folgenden wird ein Überblick der Forschungsschwerpunkte gegeben:

Spritzgießen

Hinterspritztechnik
Sandwich-Spritzgießen
Füll- und Fließverhalten von WPC-Schmelzen

Compoundierung

Prozessoptimierung, Schnecken- und Zylinderaufbau
Alternative Compoundiertechnik (Innenmischer)

Rezepturentwicklung

Optimierung mechanischer Eigenschaften je nach Anwendung
Zielgerichtete Anpassung des Sorptionsverhaltens von Wasser

Kleben

Oberflächenvorbehandlung (Laserbehandlung, mechanische Bearbeitung)
Oberflächenaktivierung mittels Plasma

Verbesserung des Füllverhaltens von naturfasergefüllten Schmelzen durch die Beigabe von Schaumbildnern im Spritzgießprozess

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

Herstellung und Charakterisierung von Wood-Plastic-Composites (WPC) mit einer Matrix aus thermoplastischen Polyurethanen (TPU) zur Erzeugung von Holz-WPC-Verbundstrukturen

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