Wassertechnik
Absperrschieber aus Rizinusöl und Vulkangestein

27.08.2019 Die Kupplungselemente aus biobasiertem Polyamid und Basaltfasern zeigen, dass technische Bauteile mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen und sehr guten mechanischen Eigenschaften gefertigt werden können.

Bild 1 Kuppelmuffe mit Zinkguss-Insert aus Bio-PA mit Basaltfasern
© Foto: TU Chemnitz
Bild 1 Kuppelmuffe mit Zinkguss-Insert aus Bio-PA mit Basaltfasern
Basaltfaserverstärkte Bio-Polyamide bieten gegenüber petrobasierten Polyamiden mit Glasfasern Mehrwert in Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften und die Nutzung von regenerativen Rohstoffen. Das Beispiel einer torsionsbeanspruchten Kuppelmuffe für Einbaugarnituren verdeutlicht das hohe Potenzial der entwickelten Bio-Compounds.

Fasern aus Basalt, einem Gestein vulkanischen Ursprungs werden durch einen Schmelzspinnprozess bei Temperaturen von über 1.450 °C erzeugt. Im Vergleich zu Glasfasern weisen Basaltfasern eine höhere Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Steifigkeit auf. Basaltfasern sind beständig gegen Säuren, Laugen, hohe Temperaturen und Korrosion und haben ein gutmütiges Schwingungsdämpfungsverhalten. Die Bandbreite der Anwendungsbeispiele von Basaltfasern reicht vom faserverstärkten Beton über den Einsatz textiler Verstärkungen und Armierungen bis hin zur Faser- und Betonchemie. Die kommerzielle Verfügbarkeit diverser Basaltfaserhalbzeuge nimmt daher kontinuierlich zu.

Vor dem Hintergrund begrenzter fossiler Ressourcen bieten die Kunststoffhersteller auch technische Kunststoffe wie beispielsweise Bio-Polyamide aus nachwachsenden Rohstoffen an. Die Rohstoffquelle für biobasierte Polyamide ist Rizinusöl, das aus den Samen des afrikanischen Wunderbaums gewonnen wird. Dieser technische Kunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen kann dank seiner hervorragenden Eigenschaften petrochemische Polymere in technischen Anwendungen ersetzen. Gegenüber klassischen Polyamiden 6 und 66 besteht der Mehrwert neben der Rohstoffbasis in der geringeren Wasseraufnahme und folglich in den geringeren Eigenschaftsschwankungen bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen. Zusammen mit der Fa. Schönborner Armaturen GmbH werden an der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz basaltfaserverstärkte biobasierte Polyamidcompounds als spritzgießfähiges Material entwickelt. Die Schönborner Armaturen GmbH verwendet diese Compounds für die Herstellung von Kupplungselementen. Diese werden zur Produktion von Betätigungselementen genutzt, die für das Bedienen von erdverlegten Kommunalarmaturen benötigt werden. Die normativ in das Bauteil gesetzten Anforderungen werden allumfänglich erfüllt und zusätzliche anwendungsbezogene positive Produkteigenschaften bezüglich Korrosionsschutz sowie der elektrischen und thermischen Entkopplung geschaffen. Mit dem hohen biobasierten Anteil im Bauteil wird der Forderung nach Substitution petrobasierter Materialien Rechnung getragen.
Bild 2 Bei der Bestimmung der maximalen Belastbarkeit unter Torsionsbeanspruchung besteht die neue Kuppelmuffe aus basaltfaserverstärktem Bio-Polyamid den Vergleich mit den etablierten Materialen gut. © Foto: TU Chemnitz
Bild 2 Bei der Bestimmung der maximalen Belastbarkeit unter Torsionsbeanspruchung besteht die neue Kuppelmuffe aus basaltfaserverstärktem Bio-Polyamid den Vergleich mit den etablierten Materialen gut.


Vom Rizinusbaum in die „Straße“

Die Schönborner Armaturen GmbH stellt u.a. Kuppelmuffen als hochbeanspruchte Bauteile für die Wasserwirtschaft her. Das dauerhaft im Erdreich eingelassene Betätigungselement ist Bestandteil der Absperr- und Regelarmaturen im Kommunalen Gas-, Wasser- und Abwassernetz. Das Hybridbauteil besteht aus einem Zink-Druckguss-Insert und einer faserverstärkten Kunststoffummantelung. Das Insert übernimmt die Aufgabe der Momentübertragung im Gestänge. Die Kunststoffummantelung dient als Schutz vor Korrosion und Verschleiß und verhindert das Einfrieren sowie den elektrischen Stromfluss zur Armatur. Bei der Nutzung wird das Kupplungselement mit einem Drehmoment beansprucht, wobei auch die Kunststoffummantelung ausreichend torsionssteif sein muss, um ein Bauteilversagen durch „Ablösen“ vom Metallinsert bzw. durch Bruch auszuschließen. Erreicht werden diese Anforderungen aktuell durch die Verstärkung des Kunststoffmaterials mit Glasfasern mit einem Anteil bis zu 60 Ma.-%. Ziel der Entwicklung ist es, neben der Verwendung Ressourcen schonender Kunststoffe, den Faseranteil deutlich zu reduzieren und so die Fließfähigkeit der Kunststoffmasse zu verbessern. Das Ergebnis ist die Hybrid-Kuppelmuffe aus biobasiertem Polyamid 10.10 mit einer Kurzfaserverstärkung aus Basalt (siehe Bild 1). Das an der TU Chemnitz entwickelte und getestete Compound weist einen Basaltfaseranteil von 20 Ma.-% auf. Die Fertigung der Hybrid-Kuppelmuffe erfolgt in vorhandenen Werkzeugen, wobei der Prozess an die neuartigen Werkstoffe angepasst wird.

Mit den neuen Bauteilen werden Prüfungen durchgeführt, um die Torsionssteifigkeit zu untersuchen (Bild 2). Die Kuppelmuffen aus Polyamid 10.10 mit 20 Ma.-% Basaltfasern übertragen einen maximalen Drehmoment von 427 Nm und nehmen eine Stellung zwischen Polyamid 6 mit 30 Ma.-% Glasfaser und Polyamid 6.6 mit 60 Ma.-% Langglasfasern ein. Sie sind damit hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit eine Alternative zu den bisher verwendeten Materialkombinationen.
Bild 3 Übersicht der Zugabeorte bei der Compoundierung im Zweischneckencompounder © Foto: TU Chemnitz
Bild 3 Übersicht der Zugabeorte bei der Compoundierung im Zweischneckencompounder


Die Prozessführung macht die Eigenschaft

Vor der Bauteilfertigung steht die Frage nach der Auswahl geeigneter Komponenten für den Verbundwerkstoff. Unter der Maßgabe, Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen einzusetzen sowie die geforderten Verbundeigenschaften zu erreichen, erfolgt die Materialauswahl. Die eigentliche Hürde bei der Entwicklung des Verbundwerkstoffs ist die Compoundherstellung. Mehrere Produzenten bieten unterschiedliche biobasierte Polyamide an. Neben den grundlegenden technischen Anforderungen und dem Anteil an nachwachsenden Rohstoffen entscheiden bei der Auswahl auch wirtschaftliche Faktoren. Innerhalb dieses Vorhabens wird PA 10.10 Vestamid Terra DS 16 der Fa. Evonik Industries verwendet.

Auch Basaltfasern werden von mehreren Firmen angeboten, und zwar in verschiedenen Feinheiten mit anwendungsspezifischen Schlichten sowie als endloses Halbzeug (Roving) oder als Schnittfaser. Analog zu den schon beim Matrixmaterial beschriebenen Kriterien wird die Auswahl unter Beachtung der geeigneten Schlichten getroffen. Zur Anwendung kommen Basaltfaser der Fa. Incotelogy mit einer Feinheit von 2400 tex sowie einer Spezialschlichte für Polyamide.

Neben den verwendeten Materialien ist der Compoundierungsprozess für die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs entscheidend. Wichtige Werkstoffmerkmale wie der Faseranteil, die Faserlänge und die Faserverteilung im Compound werden durch den Verfahrensaufbau und die Prozessparameter stark beeinflusst. Der Faseranteil wird über den Durchsatz definiert. Hierzu werden die Schnittfasern entsprechend dem vorgegebenen Schüttgewicht gravimetrisch dosiert. Bei Rovings wird der Faseranteil über die Schneckendrehzahl bzw. Einzugsgeschwindigkeit geregelt. Besonders die Schneckengeometrie und die Verweilzeit der Fasern im Extruder haben Auswirkung auf die Faserlänge im Compound. Eine lange Verweilzeit führt infolge der Scherbelastung der mit Fasern gefüllten Schmelze zu einer Verringerung der Faserlänge und einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften. Gleichzeitig ist eine ausreichend lange Verweilzeit für eine homogene Verteilung der Fasern in der Polymermatrix notwendig (Bild 3). Diese gegenläufigen Effekte sind verfahrenstechnisch zu optimieren. Für die Versuche wird ein Zweischneckencompounder mit gleichsinnig laufenden Schnecken (Typ: ZSC 25/40D Hersteller: Noris Plastic GmbH & Co. KG, Altdorf/Nürnberg) verwendet.

Zur Ermittlung des tatsächlichen Faseranteiles (Ist-Faseranteil) werden die hergestellten Compounds nach DIN EN ISO 1172 verascht. Die ermittelten Faseranteile werden mit den vorher berechneten Anteilen (Soll-Faseranteil) verglichen. Das Vorgehen ermöglicht Rückschlüsse auf den Einfluss der Halbzeugart, des Verfahrensaufbaus (Zugabeort) sowie der Prozessparameter. Die Untersuchungen bestätigen die ausreichende Genauigkeit der gravimetrischen Dosierung der Schnittfasern (SF). Die Abweichung zum Soll-Faseranteil beträgt weniger als 1 % unabhängig vom Zugabeort. Der Ist-Faseranteil der mit Rovingfasern (RF) hergestellten Compounds weicht hingegen deutlich vom Soll-Faseranteil ab. Diese Ergebnisse veranschaulicht Tabelle 1.
 
Tab. 1: Basaltfasergehalt im PA-Compound in Abhängigkeit vom Zugabeort (E: Einzug, SE: Seiteneinzug) © Foto: TU Chemnitz/SLK
Tab. 1: Basaltfasergehalt im PA-Compound in Abhängigkeit vom Zugabeort (E: Einzug, SE: Seiteneinzug)

 Eine Ursache für die Abweichungen des Ist-Faseranteils in Abhängigkeit vom Zugabeort bei der Verwendung von Rovings ist der Schlupf am Haupteinzug. Der Kunststoff liegt an dieser Stelle als nicht aufgeschmolzenes Granulat vor – ein Zustand, der zu einem ausgeprägten Abrutschen der Faser an der Schnecke führt. Der Roving wird folglich nicht kontinuierlich, sondern mit kurzen Unterbrechungen in den Extruder eingezogen, was zu einer Verringerung des tatsächlichen Fasergehalts führt. Neben dem Abgleiten beeinflusst auch die lokale, d. h. die am Einzugsort vorliegende Schneckengeometrie den Rovingeinzug. Am Haupteinzug sind beide Extruderschnecken mit Förderelementen bestückt. Diese dienen zur effizienten Förderung des Kunststoffgranulats und sind für das homogene Abwickeln eines Faserrovings eher ungeeignet. Die Überlagerung der o. g. Effekte führt dazu, dass der Ist-Faseranteil bei der Verwendung von Rovings stark von den errechneten Werten abweicht und Compounds mit 10 Ma.-% Rovingfasern nicht realisiert werden können.
Bild 4 Auch beim Dosieren der Rovingfasern werden die Fasern im Compounder in Abhängigkeit vom Zugabeort deutlich eingekürzt. Außerdem weicht der Ist-Fasergehalt besonders bei Zugabe über den Haupteinzug deutlich vom Soll-Fasergehalt ab. © Foto: TU Chemnitz
Bild 4 Auch beim Dosieren der Rovingfasern werden die Fasern im Compounder in Abhängigkeit vom Zugabeort deutlich eingekürzt. Außerdem weicht der Ist-Fasergehalt besonders bei Zugabe über den Haupteinzug deutlich vom Soll-Fasergehalt ab.

Neben dem Faseranteil werden die mechanischen Eigenschaften des Verbundes durch die Faserlänge im Compound bestimmt. Erwartungsgemäß ist davon auszugehen, dass infolge der Reibung zwischen Faser und Maschine sowie zwischen Faser und Faser die resultierende Faserlänge mit steigendem Verfahrensweg respektive zunehmender Verweildauer im Aktionsraum der Extruderschnecken abnimmt. Zur Charakterisierung dieses Effekts werden die Faserlängen der veraschten Compounds mithilfe des optischen Mess-Systems FASEP 3E Eco (IDM Systems – Helga Mayr, Darmstadt) bestimmt. Die Fasern werden nach der Pyrolyse in einer geeigneten Flüssigkeit dispergiert, gescannt und die Aufnahmen digital analysiert. Pro Compound werden 10.000 bis 15.000 Einzelfasern ausgewertet. In Bild 4 ist ersichtlich, dass bei den untersuchten Materialien die mittlere Faserlänge in Abhängigkeit vom Zugabeort und somit von der resultierenden Verarbeitungsstrecke im Compounder variiert. Bei gleicher Faserausgangslänge findet eine deutlich stärkere Faserkürzung immer dann statt, wenn der zurückgelegte Weg im Compounder länger ist. Dieser Zusammenhang ist vom Fasertyp unabhängig. Bei den Rovingfasern überwiegt dabei aber der Einfluss der primären Einkürzung am Einzug. Darüber hinaus sinkt die durchschnittliche Faserlänge mit steigendem Faseranteil im Compound, lediglich die Einkürzung am Seiteneinzug 1 weicht davon ab.

Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der einzelnen Verbundwerkstoffe in Abhängigkeit von Faseranteil und -länge werden Universalprüfkörper gefertigt und entsprechend der gültigen DIN-Normen im Zug-, Biege- und Schlagversuch geprüft. Die Ergebnisse des Zugversuchs bestätigen die Zunahme der Steifigkeit der Compounds mit zunehmendem Faseranteil (Bild 5). Darüber hinaus bedingt die spätere Faserzugabe eine größere Faserlänge und folglich deutlich höhere Werte beim E-Modul.
Bild 5 E-Modul der getesteten Basaltfaser-Compounds © Foto: TU Chemnitz
Bild 5 E-Modul der getesteten Basaltfaser-Compounds

Fazit und Ausblick

Die Kupplungselemente aus biobasiertem Polyamid und Basaltfasern zeigen, dass technische Bauteile mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen und sehr guten mechanischen Eigenschaften gefertigt werden können. Aktuell sind die Materialkosten gegenüber erdölbasierten Polymeren noch nicht konkurrenzfähig. Eine steigende Nachfrage und höhere Produktionsmengen vorausgesetzt, sind Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen in Zukunft auch in anspruchsvollen Anwendungen abseits von Verpackungsmitteln und Konsumartikeln wirtschaftlich verwendbar. Die durchgeführten Untersuchungen zur Compoundherstellung verdeutlichen, dass die resultierenden Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen schon bei der Kombination der Materialien beeinflusst werden. Bei der Entwicklung von Bauteilen ist zu berücksichtigen, dass nicht nur die Eigenschaften der Ausgangskomponenten von Bedeutung sind, sondern auch die Prozessführung beim Compoundieren einen wesentlichen Einfluss auf die resultierenden Produkteigenschaften ausübt. Ein optimierter Prozess trägt zur Verminderung der Fasereinkürzung bei und führt zur Verbesserung ausgewählter Eigenschaften. Die geforderten Produkteigenschaften können dank einer maßgeschneiderten Verarbeitung auch mit verringertem Faseranteil erzielt werden.

Ein Beitrag von Florian Tautenhain; Sebastian Buschbeck; Dr. Claudia Reichelt; Dr.-Ing. Roman Rinberg; Prof. Dr.-Ing. Lothar Kroll

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 7-8/2019

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