Naturfasern in Verbundwerkstoffen: vom Segeltuch zum Leichtbau

Technische Textilien und Faserverbundwerkstoffe erleben einen Materialwandel: Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen dort wieder deutlich an Bedeutung. Der wachsende Bedarf an leistungsfähigen Werkstoffen für Leichtbau und technische Anwendungen trifft auf steigende Anforderungen an die Nachhaltigkeit von Produkten. Naturfasern wie Flachs, Hanf oder Cotton verbinden beide Anforderungen: Sie bieten funktionale Eigenschaften und geringere Umweltwirkungen. Das Grundprinzip eines Verbundwerkstoffs ist dabei einfach: Zwei oder mehr fest miteinander verbundene Einzelwerkstoffe ergänzen sich so, dass das Gesamtsystem seinen Zweck besser erfüllt als jede Komponente allein. Die Fasern übernehmen Festigkeit und Steifigkeit, die Matrix – in der Regel ein Kunststoff – bestimmt die Form und hält die Fasern in Position. Wie wirksam dieses Prinzip ist, zeigt ein einfaches Experiment: Ein nasses Handtuch, bei Frost aufgehängt, wird durch das gefrorene Wasser so steif, dass es kurzzeitig als Serviertablett dienen kann.

Naturfasern als technischer Werkstoff: von Ägypten bis zum Trabant

Naturfasern zählen zu den ältesten technischen Werkstoffen. Bereits strohverstärkte Lehmziegel folgen dem Verbundprinzip. Im alten Ägypten diente Flachs als Rohstoff für Seile, Netze, Segel und Bekleidung und bildete damit eine Grundlage für Transport und Handel. Ausgediente Segel fanden als Mumienhüllen eine zweite Verwendung – ein frühes Beispiel für Kreislaufdenken, das heute im Kontext nachhaltiger Werkstoffe erneut an Bedeutung gewinnt.

Auch industrielle Serienanwendungen von Naturfasern sind keine Neuheit. Die Karosserie des Trabant P601 bestand aus phenolharzgebundenen Cottonfasern und stellte damit einen frühen faserverstärkten Verbundwerkstoff für eine automobile Außenanwendung in hohen Stückzahlen dar. Der Werkstoff erreichte hohe Biege- und Zugfestigkeiten, eine gute Schlagzähigkeit und eine hohe Langzeitbeständigkeit. Dieses Beispiel widerlegt die verbreitete Annahme, Naturfasern eigneten sich nur für technisch wenig anspruchsvolle Aufgaben.

Welche Eigenschaften eine Naturfaser mitbringt, hängt eng mit ihrer biologischen Funktion in der Pflanze zusammen:

• Bastfasern (Flachs, Hanf) erfüllen eine strukturelle Funktion und weisen daher hohe Festigkeit und Steifigkeit auf.
• Samenfasern (Cotton) dienen der Verbreitung und zeichnen sich durch Länge und Dehnung aus.
• Fruchtfasern (Kokos) übernehmen eine Schutzfunktion und nehmen viel Energie auf.

Diese Differenzierung ermöglicht eine gezielte Faserauswahl je nach Anwendung. Für leichte und steife Strukturbauteile aus Faserverbundwerkstoffen eignen sich vor allem Bastfasern.

Bastfasern im Leichtbau: Bewertung, Halbzeuge und Anwendungen

Eine belastbare Nachhaltigkeitsbewertung technischer Werkstoffe erfordert mehr als den Vergleich der Emissionen pro Kilogramm. Bei Verbundwerkstoffen müssen der jeweilige Lastfall und die spezifischen mechanischen Eigenschaften die Vergleichsbasis bilden, denn Flachs-, Glas- und Kohlenstofffasern unterscheiden sich hier erheblich. Als Maßstab dienen Werkstoffindizes nach Ashby – Kennzahlen, die etwa die Steifigkeit ins Verhältnis zur Dichte setzen. Nach diesem Maßstab erreichen Bastfasern hohe spezifische Steifigkeiten. Regenerierte Cellulosefasern erzielen insbesondere bei Biegebelastung aufgrund ihrer geringen Dichte ähnliche Leistungen wie Glasfasern, verursachen jedoch geringere Umweltwirkungen. Flachs und Hanf spielen ihre Stärken daher vor allem in plattenartigen Bauteilen unter Flächenlast aus.

In den vergangenen zwei Jahrzehnten entstand in Europa ein breites Spektrum textiler Halbzeuge aus Naturfasern. Es reicht von kostengünstigen, gut drapierbaren Vliesen und Filzen über unidirektionale Textilien, deren Fasern in einer Richtung verlaufen, bis zu niedrig gedrehten Garnen und Rovings. Hinzu kommen Hybridgewebe, leichte 0/90-Gitterstrukturen sowie Halbzeuge mit minimierter Faserondulation, also geringer Welligkeit der Fasern im Gewebe. Diese Vielfalt erlaubt eine gezielte Anpassung der mechanischen Eigenschaften naturfaserverstärkter Verbundwerkstoffe an das jeweilige Bauteil.

Wie sich diese Halbzeuge im Leichtbau einsetzen lassen, zeigt das Projekt GreenBox an der Hochschule Bremen. Das Team um Jörg Müssig entwickelte nachhaltige Sandwichstrukturen für mobile Anwendungen und realisierte damit zwei Prototypen: einen Marktverkaufswagen und einen Offroad-Camper. Für die stark beanspruchte Kabine des Campers kamen hochwertige Flachsgewebe zum Einsatz. Für die weniger belasteten Sandwichplatten des Verkaufswagens genügten Hanf-Nadelfilze als Decklagen, kombiniert mit geeigneten Kernwerkstoffen. Beide Systeme erreichen mittlere bis hohe spezifische Steifigkeiten bei geringer Masse und guter Umweltbilanz – und belegen, dass Naturfasern auch in anspruchsvollen Strukturbauteilen eine tragfähige Alternative darstellen.

Quelle: Fachzeitschrift „Melliand Textilberichte“

Foto: Arthur