Wood Plastic Composites

Verbundwerkstoffe mit hohem Holzfaseranteil in der Profilerzeugung

Holz wurde Polymerwerkstoffen ursprünglich nur als reiner Füllstoff zur Kostenreduktion zugesetzt - heute geht der Trend zu Werkstoffen mit Holzfasern als aktivem Füllstoff bzw. als Hauptkomponente in der Rezeptur. Der Markt für naturfaserverstärkte Kunststoffe ist in den letzten Jahren stark gewachsen, speziell in den USA und Japan mit jährlichen Zuwachsraten von mehr als 25 %. Neben Hanf- und Flachsfasern steigt auch die Bedeutung von Holzfasern speziell in Segmenten, welche derzeit unter enormem Preisdruck stehen (z.B. der Baubereich).

Obwohl die Möglichkeit der Extrusion von Kunststoff mit höherem Holzfaseranteil schon länger bekannt ist, hat sich fast die gesamte Forschung in der Vergangenheit mit Wood Plastic Composites befasst, die einen Holzanteil von maximal 70% aufwiesen. Meist war der Holzanteil sogar kleiner als 50%.

Im Zuge der im Rahmen des Programms durchgeführten Projekte wurde der Holzanteil auf mehr als 90% erhöht, sodass in diesem neuen Werkstoff das Holz der tragende Rohstoff mit geringen Anteilen an Kunststoffen ist. Damit kann ein Großteil des Kunststoffes durch den nachwachsenden Rohstoff Holz ersetzt werden. Zusätzlich kann mit der Verwendung von Holz als hochwertigem Verbundwerkstoff die Wertschöpfung von Holzfasern, welche sonst als Kuppelprodukte (Pellets, Plattenindustrie, etc.) verwertet werden, deutlich erhöht werden.

Abbildung 1: Profil erzeugt durch Extrusion aus Wood Plastic Composites mit hohem Holzanteil

Foto: Projektnehmer

Allerdings waren bei diesen sehr hohen Holzfaseranteilen die bisher eingesetzten Prozess- bzw. Werkzeugtechnologien zur Erzeugung von Profilen nicht mehr geeignet. Es konnten keine ausreichenden Profilqualitäten erreicht werden - die geringen Ausstoßleistungen waren nicht wirtschaftlich. Darüber hinaus gab es keine passende Technologie zur Direktdosierung der Holzspäne mit der Möglichkeit weitere Komponenten beizumischen.

Diese Probleme zu lösen war Ziel der durchgeführten Forschungsarbeiten: Ausgehend von einer Analyse des aktuellen Zustandes bezüglich Markt, Produkte, Verfahrenstechnik, Patentsituation, Rezeptur und Holzspäne wurden die wichtigen technologischen Fragen wie Holzspänedosierung, Kompaktierung im Extruder, Optimierung der Werkzeuggeometrie und der Nachfolgeeinrichtungen von den Industriepartnern in separaten Projekten bearbeitet.

Im Rahmen des Projektes "Wood plastic composites - Entwicklung einer Holzspänedirektdosierung" wurde eine Vorrichtung entwickelt, mit der Holzfasern bzw. Holzspäne aus der Holz- oder Spanplattenindustrie direkt im Extruder verarbeitet werden können. Das heißt, es müssen keine Compoundier-, Pelletier- oder Agglomerierungsschritte zwischengeschaltet werden. Dabei kann der Holzanteil zwischen 50 % und 90 % betragen und Mischungen bis 6 Komponenten sind verarbeitbar (bspw. Additive, Farbe oder Stärke). Die technischen Herausforderungen, die in der schlechten Rieselfähigkeit und der geringen Schüttdichte des Holzes sowie der Vermeidung von Entmischungen zwischen Polymer und Holz bestanden, konnten dabei erfolgreich überwunden werden.

Bei der Entwicklung der notwendigen Werkzeugtechnik (Projekt "Wood plastic composites - Entwicklung eines Extrusionswerkzeuges") wurde ein faserschonendes Düsenkonzept entwickelt, mit dem Bindenahtfehler vermieden werden können und Ausstoßleistungen von mehreren Metern pro Minute möglich sind. Darüber hinaus bietet die entwickelte Werkzeugtechnik die Möglichkeit der Coextrusion mit verschiedenen Thermoplasten. Die Werkzeugtechnik wurde erfolgreich getestet und ermöglicht auch bei hohen Holzanteilen (über 90 %) neben der geschlossenen Oberfläche des erzeugten Profils einen beeinflussbaren Oberflächenglanz (hochglänzend bis matt) sowie gute mechanische Eigenschaften insbesondere E-Modul, Schlagfestigkeit und Reißdehnung betreffend.

Abbildung 2: Extrusionswerkzeug zur Verabeitung von Wood Plastic Compisites mit hohem Holzanteil

Foto: Projektnehmer

Durch diese Weiterentwicklung der Maschinentechnologie (Extrusionswerkzeug und Direktdosierung) und der Optimierung der Rezeptur wurde die Wirtschaftlichkeit der Profilextrusion mit hohen Holzanteilen entscheidend verbessert und die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Profilen ermöglicht.

Factbox

  • Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten auf einen Blick:
  • optimierte Rezepturen für die neuen Holz-Verbundstoffe
  • systematische Eigenschaftsmatrices der neuen Werkstoffe
  • neue Verarbeitungstechnologie, um Späne direkt in den Extruder zu dosieren
  • adaptierte und optimierte Verarbeitungs- und Werkzeugtechnologie
  • deutlich erhöhte Profilqualität durch die neu entwickelten Werkzeuge
  • erhöhte Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses durch die entsprechend entwickelten Werkzeuge und Dosiervorrichtungen
  • technologisches und werkstoffliches Basiswissen für die Herstellung von marktfähigen Produkten

Die Projekte im Rahmen von "Fabrik der Zukunft"

Im Rahmen des Programms "Fabrik der Zukunft" wurden drei zusammenhängende Projekte durchgeführt, in denen die Grundlagen für die Profilextrusion mit Wood Plastics Composites geschaffen wurden.

Wood Plastic Composites - Neue Wertschöpfung aus Holzspänen

Projektleitung:

Upper Austrian Research GmbH - Transfercenter für Kunststofftechnik, Wels
Dr. Wolfgang Stadlbauer
Franz Fritsch Straße 11, 4600 Wels
E-Mail: wolfgang.stadlbauer@uar.at

Wood Plastic Composites - Entwicklung eines Extrusionswerkzeuges

Projektleitung:

Greiner Extrusionstechnik GmbH, Nußbach
Leopold Weiermayer
E-Mail: leopold.weiermayer@greiner-extrusion.at

Wood Plastic Composites - Entwicklung einer Holzspänedirektdosierung

Projektleitung:

Cincinnati Extrusion GmbH, Wien
Ing. Mag. Erik Sehnal
E-Mail: sehnal.e@cet-austria.com

Weitere ProjektpartnerInnen:

Trodat GmbH, Wels
Dipl. Ing. Treml
E-Mail: klemens.treml@at.trodat.net

IFN Internorm Bauelemente GmbH & CO KG, Traun
Dr. Mattischek
E-Mail: hans-peter.mattischek@ifn-be.com

Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Chemie, Abteilung Physikalische Chemie, Linz
Ao. Univ. Prof. Dr. Alois Schausberger
E-Mail: alois.schausberger@jku.at

Kompetenzzentrum Holz GmbH, Linz
Dipl. Ing. Dr. Othmar Höglinger
E-Mail: zentrale@kplus-wood.at

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