Ob im Haushalt, beim Sport oder im Auto: Gegenstände aus Faserverbundwerkstoffen sind allgegenwärtig, ohne dass wir sie bewusst wahrnehmen. Durch das Zusammenfügen zweier Komponenten wie etwa einer Kunststoffmatrix mit Fasern entsteht ein hochfester und zugleich leichter Werkstoff, der vielfältigen Ansprüchen gerecht wird. Das Einsatzspektrum reicht vom Skateboard über Beinprothesen bis hin zum Flugzeugrumpf. Bisher dominiert die Glasfaser in solchen Materialien, doch Naturfasern machen ihr zunehmend Konkurrenz: Hanf oder Flachs können im Verbund in puncto Steifigkeit und Festigkeit ebenso mithalten und sind in der Herstellung um ein Vielfaches günstiger. Vor allem im Automobilbau sind naturfaserbasierte Verbundwerkstoffe eine echte Alternative für nicht strukturelle Bauteile.
Bauteile aus Jutefasern
Im internationalen Verbundprojekt Jute Bio-Comp haben deutsche und indische Forscher mit Partnern aus der Industrie nun Jutefasern für Verbundwerkstoffe unter die Lupe genommen. Das Ziel: jutefaserbasierte Komposite für vielfältige industrielle Anwendungen zu entwickeln, deren Herstellung kostengünstig ist. Das Vorhaben wurde vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert und vom Bundesforschungsministerium im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioökonomie International" von 2015 bis 2018 mit rund 400.000 Euro gefördert. „Wir wollten unsere standardisierten Prozesse zur Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen auf Jutefasern übertragen und zeigen, wie man sie zu entsprechenden Bauteilen verarbeitet", erklärt Projektleiter Julian Hüttl vom KIT.
Indien ist eines der Hauptanbauländer. Dort wurden Jutepflanzen viele Jahre zur Herstellung von Verpackungen genutzt. Doch der Markt schwächelt, weil Kunststoffverpackungen immer günstiger werden. „Das war ein politischer Hintergrund des Projekts: Die Verarbeiter in Indien haben neue Anwendungsgebiete für ihr Produkt gesucht", erklärt Projektmitarbeiter Patrick Griesbaum. Er war am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) für die Prozessentwicklung zur Herstellung jutefaserbasierter Verbundwerkstoffe zuständig.
Jutefasern so gut wie Glasfasern
Vor der Verarbeitung musste die Jutefaser erst charakterisiert und auf ihre Fähigkeiten untersucht werden. Die Messlatte lag hoch: Keine geringeren Eigenschaften als die der Glasfaser sollte der Naturstoff vom Subkontinent aufweisen, um als Verbundstoff-Kandidat in Betracht zu kommen. Entscheidend waren hier Zugfestigkeit, Elastizität und Dichte. „Als erstes haben wir festgestellt, dass die Jutefaser in ihren Eigenschaften der Glasfaser sehr ähnelt, vor allem hinsichtlich dessen, wie sich die Faser in die Matrix integrieren lässt. Mit 1,3 Gramm pro Kubikzentimeter ist die Dichte viel geringer als bei der Glasfaser", berichtet Hüttl. Die Jutefaser ist demnach noch leichter als der Konkurrent - ein Vorteil, der sie für den Leichtbau attraktiv machen könnte.
Generell sorgen Fasern im Verbundwerkstoff für die notwendige Festigkeit. Entscheidend im Projekt war, ob Jutefasern auch den nicht unerheblichen Kräften im Verarbeitungsprozess gewachsen sind. In drei Verfahren, sogenannten Prozessrouten, die bereits zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen genutzt werden, testen die Forscher die Verarbeitbarkeit: beim Nasspressen, dem Resin Transfer Molding (RTM), und dem Sheet Molding Compounds (SMC).
Jutefasern beim Trocknen (Bangladesch)
Die Tücken der Naturfaser
Doch Naturstoffe haben ihre Tücken, mit denen sich die Forscher im Projekt arrangieren mussten. Bei der Jutefaser waren es die hohe Affinität zum Wasser und die polare Faseroberfläche. Beides behindert eine optimale Anbindung der Faser an die duromere Matrix. Die Schwierigkeit: Als natürlicher Rohstoff zieht die Jutefaser selbst nach der Ernte noch Wasser aus der Luft. Dieses Problem haben die Forscher durch Trocknen im Ofen bei 80 Grad gelöst. „Aber man musste die Fasern dann direkt weiterverarbeiten, denn sobald sie wieder der Umgebungsluft ausgesetzt sind, ziehen sie wieder Wasser. Das Zeitfenster war also sehr kurz", berichtet Hüttl.
Die Polarität der Oberfläche ergibt sich aus organischen Resten, die sich an dem natürlichen Rohstoff befinden. Hier kam ein Verfahren der indischen Partner zur Hilfe, wie Hüttl berichtet. „Mit Wasserstoffperoxid, also durch chemisches Bleichen, wurden die organischen Reste entfernt. Danach war die Anhaftung messbar besser."
Vliesstoff aus Jutefasern in Duromermatrix verarbeitet
Auch bei der Verarbeitbarkeit musste das Jute BioComp-Team einige Hürden meistern. Beim SMC-Prozess werden gewöhnlich die Fasern in einen flüssigen Film aus Kunststoffharz eingebettet. Die Fasern haben eine gewisse Schnittlänge und ermöglichen so das Fließen mit der Matrix. Die anfangs honigartige Masse wird im Prozess schließlich zu einem lederartigen Material, das sich zuschneiden lässt. „Mit der Jutefaser wollten wir ein ähnliches Material herstellen. Doch die Fasern konnten wir auf den bestehenden Anlagen nicht zu Schnittfasern verarbeiten", berichtet Griesbaum, der für die SMC-Tests verantwortlich war. Die Lösung: Die Jutefasern wurden von einem indischen Partner zu einem Vliesstoff verarbeitet. Dieser konnte dann problemlos in den bestehenden Anlagen am ICT in die flüssige Duromermatrix eingebracht und zum Faserverbundwerkstoff verarbeitet werden.
Ein Problem bleibt jedoch: Die Qualität der Jutefasern hängt von Klima- und Bodenverhältnissen ab und ist daher nicht konstant. „Es ist eine Naturfaser, die immer Schwankungen haben wird. Da kann man auch nicht viel dagegen tun", sagt Griesbaum. „Eine Möglichkeit wäre, die Fasern aus verschiedenen Jahrgängen zu mischen, um die Unterschiede auszugleichen."
Prinzip auf andere Naturfasern übertragbar
Im Ergebnis konnten die Forscher zeigen, dass Jutefasern ähnlich gute Verbundeigenschaften wie Glasfasern aufweisen und in bestehenden Prozessen zu Verbundwerkstoffen verarbeitet werden können. „Wir haben durch das Projekt gelernt, wie wir Naturfasern in unseren Prozessen verarbeiten können. Denn grundsätzlich ist dieses Prinzip auch auf andere Naturfasern wie Hanf oder Flachs übertragbar", betont Griesbaum. Und noch eine Erfahrung nehmen die Forscher mit: „Es ist ein Naturprodukt, und da muss man anders arbeiten als mit gewohnten Fasern. Das muss man den Leuten näherbringen", so Hüttl.
Ob in der Autoindustrie, im Bauwesen oder in der Spiel- und Freizeitbranche: Verbundwerkstoffe aus Jute- oder anderen Naturstoffen haben zweifellos ein großes Potenzial und das wollen die Forscher um Hüttl und Griesbaum weiter ausloten.
Autorin: Beatrix Boldt
