Holz aus der Düse

Ausgangspunkt für eine neue thermoplastische Werkstoffgruppe, ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen, ist das Naturpolymer Lignin, das zu etwa 30 % in jedem Baum und jeder verholzenden Pflanze durch die Photosynthese gebildet wird. Lignin ist nach der Zellulose das am zweithäufigsten vorkommende Polymer in der Natur und bildet z. B. im Baumstamm eine dreidimensional vernetzte Gerüststruktur um die Zellulosefasern. Durch Lignin erhält das natürlich gewachsene Holz seine benötigte Druckfestigkeit, weil diese von der Zellulosefaser nicht aufgebracht werden kann. Die Zellulosefaser kann nur Zugfestigkeiten erbringen, so dass der Verbund aus Naturfasern (Zellulose) und Lignin einen Kombinationswerkstoff ergibt, der Zug- und Druckbelastungen entgegenwirken kann. Je nach quantitativer Zusammensetzung können z.B. Festigkeiten, Steifigkeiten und Wärmeformbeständigkeiten gezielt auf das Produkt eingestellt werden.b Lignin ist ein Beiprodukt der papierproduzierenden Industrie und fällt weltweit jährlich in einer Menge von etwa 50 Mio. Tonnen an. Die bisherige Verwendung von Lignin beschränkt sich zu etwa 95 % auf thermische Verwertung in Verbrennungsanlagen zur Energiegewinnung. Nur etwa 5 % des aus Holz gewonnenen Lignins findet eine stoffliche Verwendung in der Beton-, Spanplatten- oder Futtermittelindustrie.

Mischt man Lignin mit Naturfasern aus Holz, Flachs, Hanf, Chinaschilfgras oder anderen Faserpflanzen, so erhält man eine unter Temperaturerhöhung verarbeitungsfähige Mischung, die auf herkömmlichen Kunststoffverarbeitungsmaschinen wie ein auf petrochemischem Weg hergestellter Thermoplast zu Formteilen oder Platten verarbeitet werden kann.

Dieser thermoplastische Werkstoff besteht somit zu 100 % aus nachwachsenden Rohstoffen und wird von der Tecnaro GmbH als Granulat unter dem Markennamen “Arboform” (lateinisch: arbor – der Baum) vertrieben.

Durch die Weltjahresproduktion von über 100 Mio. Tonnen Kunststoffen werden auf petrochemischem Wege kohlenstoffhaltige Verbindungen aus Erdöl ans Tageslicht gefördert, die nach ihrem Nutzungszeitraum als Kunststoffe meist durch Entsorgung in Müllverbrennungsanlagen in Form von Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre emittiert werden.

Compounds auf Basis nachwachsender Rohstoffe bieten hier im Vergleich zu synthetisch auf petrochemischem Wege hergestellten Kunststoffen eine umweltverträglichere Alternative. Nach der Nutzungsphase eines Produktes aus Arboform kann dieses bedenkenlos in professionellen Müllverbrennungsanlagen thermisch entsorgt werden, da diese Compounds zu 100 % aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Bei der Verbrennung des Produktes emittieren nur soviel CO2 in die Atmosphäre, wie die Pflanze zuvor durch ihr Wachstum aus der Atmosphäre entnommen hat. Darüber hinaus ist Arboform natürlich auch kompostier- bzw. bioabbaubar.

Neben den positiven Umwelteigenschaften der nachwachsenden Rohstoffbasis hat Arboform im Gegensatz zu synthetischen Kunststoffcompounds weitere technische Vorteile als hochwertiger Konstruktionswerkstoff entweder alleine oder im Verbund mit natürlich gewachsenem Holz. So liegt z.B. der Zug-E-Modul (Tabelle 1) über dem Bereich der Massenkunststoffe (Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol) im Bereich der technisch anspruchsvollen Kunststoffe wie z.B. Polyamid 66. Arboform besitzt damit eine hohe Steifigkeit und ist für anspruchsvolle Anwendungen geeignet.

Weil der neue Werkstoff aus Komponenten natürlich gewachsenen Holzes besteht (Lignin und Zellulosefasern) hat es auch ähnliche mechanische und thermische Eigenschaften, jedoch sind diese nicht von der Faserrichtung abhängig, sondern in alle Richtungen gleich (Tabelle 1). Im Vergleich des linearen Ausdehnungskoeffizienten von Arboform mit dem von gewachsenem Holz zeigt sich dies sehr deutlich.

Ein Beispiel aus der Praxis dokumentiert die Problematik der unterschiedlichen Dehnung von Holz und Kunststoffen: Ein Werkstoff, der im Automobilinnenraum seine Anwendung als Träger für Edelholzfurniere finden soll, muss extremen thermischen Anforderungen gerecht werden.

Durch die großen Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Holz und Kunststoffen ist es nicht möglich, Holzfurniere auf Kunststoffträger aufzubringen, die hohen thermischen Anforderungen standhalten müssen. Durch den höheren Ausdehnungskoeffizienten des Kunststoffes gegenüber dem Holzfurnier wird dieses bei Erhöhung der Temperatur vom Kunststoffträger senkrecht zur Hauptspannungsachse aufgerissen, oder es kommt zur teilweisen Ablösung des Furniers vom Trägerformteil. Hier kann der Holzcharakter von Arboform seine technischen Vorteile ausspielen. Durch die nahezu gleichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Lignin-Träger und Holzfurnierdeckschicht sind Temperaturbelastungen kein Problem mehr.

Tabelle 2a ordnet spritzgussfähiges Arboform in das Umfeld der Holzwerkstoffe ein. Aus den Quellungsversuchen zeigt sich, dass spritzgegossene Werkstücke aus Arboform nicht so wasserempfindlich sind wie Flachpress- oder MDF-Platten. Somit müssen spritzgegossene Teile aus Arboform nicht zwingend mit einem Schutzmittel gegen Wasseraufnahme behandelt werden. Am Wert für die spezifische Schnittkraft kc ist deutlich zu sehen, dass sich spritzgegossen Teile aus dem neuen Werkstoff beim Fräsen wie ein Holzwerkstoff verhalten. Es lässt sich gut zerspanen, der kc-Wert liegt im Bereich von MDF-Platten und über dem von Flachpressplatten. Arboform bildet kurze Späne und kann gut bearbeitet werden. Ein Aufschmelzen der Oberfläche wie bei thermoplastischen Kunststoffen ist nicht zu beobachten. Der an der Fräskante ermittelte Rk-Wert der Kernrautiefe zeigt im Vergleich zu MDF-Platten, dass die Oberfläche fast so glatt ist wie am spritzgegossenen Teil selbst. Tabelle 2b ordnet speziell für die Verpressung entwickeltes Granulat in das Umfeld der Holzwerkstoffe ein. Dabei zeigt sich, dass der neue Werkstoff in allen gemessenen Werten über den Vergleichswerten für Flachpress- und MDF-Platten liegt. Arboform ist also ein hochwertiger, thermoplastischer Konstruktionswerkstoff für technisch anspruchsvolle Anwendungen. Er verbindet die positiven Eigenschaften zwischen natürlich gewachsenem Holz und thermo-plastisch zu verarbeitenden Kunststoffen. In Tabelle 3 sind alle bekannten Werkstoffdaten aufge-listet.

Die Verarbeitung der Granulate kann auf herkömmlichen Spritzgussmaschinen erfolgen. Dabei müssen keine Modifikationen an der Maschine vorgenommen werden. Es können z.B. Standard-Polyolefinschnecken verwendet werden. Lediglich bei der Werkzeuggestaltung müssen werkstoffgerechte Konstruktionen berück-sichtigt werden (z. B. Angußlage, Angußart). Für den Einsatz und die Anwendung in Pressen kann ein spezieller Typ bereitgestellt werden. Kurz gesagt: Arboform ist “flüssiges Holz”. o

Die Autoren: Dipl.-Ing. Helmut Nägele und Jürgen Pfitzer

Tecnaro GmbH, 99817 Eisenach

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