Steinbeis-Team entwickelt Verfahren zur Reinigung und Aktivierung von Basaltfasern
Wird Basaltgestein geschmolzen, entstehen als mineralischer Werkstoff Basaltfasern. Sie basieren weitgehend auf Naturstoffen vulkanischen, sogenannten geogenen, Ursprungs. Im Vergleich zu Glasfaser- und Carbonfaser-Materialien werden sie in ressourcenschonenden Prozessen gewonnen und sind fast unbegrenzt verfügbar. In der Lebenszykluskette von der Gewinnung bis zum Recycling lassen sich Basaltfasern gegenüber kohlenstofffaserbasierten (CFK) und glasfaserbasierten (GFK) Kunststoffen mit deutlich geringerem energetischem und technisch-technologischem Aufwand herstellen. Um diese Vorteile in der Werkstoffproduktion umfangreicher als bisher zu nutzen, hat das Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation in einem Förderprojekt des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des Bundes Verfahren zur Herstellung von Basaltfaser-Thermoplast-Tapes erarbeitet.
Für den ressourceneffizienten Leichtbau bieten basaltfaserbasierte Faserkunststoffverbunde (BFK) mit thermoplastischem Matrixmaterial branchenübergreifend ein besonderes werkstoffliches und prozesstechnisches Potenzial, das kaum erschlossen ist. Denn bislang verhinderten die nicht gleichbleibenden Eigenschaften aufgrund der geogenen Gewinnung den breiten industriellen Einsatz der Basaltfasern. Aktuelle Entwicklungen in der Materialanalyse erlauben es heute jedoch, schnell und kostengünstig die heterogene Zusammensetzung von einzelnen Basaltgesteinen zu analysieren und so einen wirtschaftlichen Chargenbetrieb mit gleichbleibender Faserqualität zu betreiben. Erst hierdurch können die teilweise überragenden Eigenschaften der Basaltfasern gezielt eingesetzt und über einen langen Produktionszeitraum sicher erhalten werden. Für den technischen Einsatz der Basaltfasern als Verstärkungskomponente in Faserkunststoffverbunden stehen daher vergleichsweise nur wenige Informationen zur Verfügung, dies betrifft insbesondere das Grenzschichtdesign zwischen Faser und umgebender Matrix aber auch die Oberflächenreaktivität der Basaltfasern.
„Wir haben am Dresdener Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation in unserem Forschungsprojekt mehrere Ansätze verfolgt“, erläutert Dr.-Ing. habil. Khaled Alaluss, einer der Leiter des Zentrums, „Wir haben Technologiekonzepte sowie Methoden zur Faserspreizung entworfen und parallel eine Verfahrenstechnologie zur Reinigung und Aktivierung der Basaltfaseroberfläche entwickelt. Beide Forschungsaktivitäten flossen in das entstandene Gesamtverfahren zur Herstellung von Basaltfaser-Thermoplast-Tapes ein.“ Zunächst machte sich das Forscher-Team an die simulationsgestützte Entwicklung der technologischen Grundlagen für Basaltfaser-Tapes und ausgewählte daraus konfigurierte Bauteile. Daneben entwickelten, untersuchten und optimierten sie anhand umfangreicher Versuche die Reinigung und Aktivierung für Basaltfaser-Filamente. Dabei kamen verschiedene Behandlungsverfahren zum Einsatz, deren Wirkung anhand eines für den Labormaßstab entwickelten Bewertungssystems analysiert wurde. Die geeigneten Verfahren integrierten die Steinbeis-Experten anschließend mit den Kooperationspartnern in die Laboranlage: Damit ist als Projektergebnis die experimentelle Herstellung von BFK-Tapes möglich. Steinbeis-Forscher Oleg Nuss geht ins Detail: „Grundlage unserer Entwicklungsarbeiten war der Lösungsansatz zur Überlagerung der chemischen Bindungsenergien mit polarisierten kovalenten Bindungsmechanismen. Zum Anheben der Elektronenverbände sollten mit Plasmalichtbögen zusätzlich zum angestrebten Reinigungseffekt Bindungsenergien eingebracht werden.“ Dazu wurden im Labormaßstab Versuche zur Reinigung und Aktivierung durchgeführt und die Ergebnisse anhand eines entwickelten Bewertungssystems auf Kontaktwinkel, Verlaufsform und -geschwindigkeit hin analysiert. Im Anschluss stand der Praxistransfer an: Die Ergebnisse wurden auf die vom Projektpartner Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) in Dresden entwickelte Anlagentechnik übertragen. Dabei untersuchte das Projekt-Team unterschiedliche Anordnungen der Plasmabehandlung und verschiedene Prozessparameter zur Herstellung von Basaltfaser-Thermoplast-Tapes. In Verbindung mit der Plasmabehandlung lief der Prozess wesentlich stabiler, Geschwindigkeiten von 1,0 bis 2,0 m/min waren möglich. Im Rahmen der Versuche wurden mehrere hundert Meter fortlaufendes Basaltfaser-Thermoplast-Tape produziert, aus dem der Projektpartner ILK einen entsprechenden Demonstrator herstellte. Vergleiche zeigten, dass ohne die Plasmabehandlung die Herstellung der unbehandelten Basaltfaser-Thermoplast-Tapes und somit auch die entsprechende Demonstratorherstellung mit vertretbarem Zeit- und Materialaufwand nicht realisierbar waren.
Vergleichsbilder zum Querschnitt der Fasern mit Matrixfüllung: a) mit Plasmabehandlung und b) ohne Plasmabehandlung der Fasern.
Bei den Basaltfaser-Thermoplast-Tapes aus zuvor mit Plasma behandelten Fasern erreichten die Forscher eine homogene Faserlage mit paralleler Ausrichtung der einzelnen Fasern. „Bereits an den hergestellten Basaltfaser-Thermoplast-Tapes wurde der positive Effekt der Plasmabehandlung deutlich: Die Tapes ohne Plasmabehandlung der Basaltfasern weisen einen schlechten mechanischen Verbund auf, sodass die Tapes bereits beim Aufwickeln oder einfacher Handhabung in einzelne Fragmente, insbesondere entlang der Fasern, zerfallen“, macht Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner als einer der Leiter am Steinbeis-Innovationszentrum deutlich. Bereits ein einfacher Biegetest mit einseitiger Einspannung konnte nicht durchgeführt werden, da diese Tapes keine relevante Steifigkeit aufwiesen. Die Plasmabehandlung der Basaltfasern führt im Gegensatz dazu zu einer verbesserten Benetzung der Fasern mit Matrix und somit auch zur besseren Anbindung von Matrix und Fasern. Diese Tapes wiesen einen sehr guten mechanischen Verbund sowie eine entsprechende Steifigkeit auf. Die Auswertung der Ergebnisse machte deutlich, dass durch den Einsatz der Plasmabehandlung die Verarbeitung der Basaltfasern vereinfacht und die Prozessstabilität erhöht wurde – dadurch können Basaltfaser-Thermoplast-Tapes nun für industrielle Anwendungen hergestellt werden.
Kontakt
PD Dr.-Ing. habil. Khaled Alaluss, Oleg Nuss, Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner
Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation (Dresden)