Der CO2-Fußabdruck von Naturfasern bei Bioverbundwerkstoffen

Naturfasern gewinnen in unserem Alltag immer mehr an Bedeutung und erleben eine beeindruckende Renaissance als Dämmstoffe und Bioverbundwerkstoffe im Automobilbereich. Es gilt angesichts der sozialen und wirtschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, ihre Umweltauswirkungen zu analysieren und letztlich die Nachhaltigkeit dieser Wiederbelebung zu gewährleisten. In den letzten zwanzig Jahren werden tatsächlich immer mehr Naturfasern in Komposita eingesetzt, vor allem in besagtem Automobilsektor und generell auch als Dämmstoff in anderen Bereich.

Bio-Komposita bestehen aus einem Polymer und Naturfasern, von denen letztere die Stabilität gewährleisten. Bioverbundstoffe mit Naturfasern können eine ähnliche Funktionalität aufweisen wie andere Verbundwerkstoffe und bestehen den Vergleich für viele Endprodukte.

Der Trend zeichnet sich bereits seit Jahren ab: Im Jahr 2012 wurden in der europäischen Automobilindustrie 30.000 Tonnen Naturfasern eingesetzt, vor allem in Pressformteilen, ein Anstieg von rund 19.000 Tonnen Naturfasern Fasern im Jahr 2005. Auch aktuelle Analysen aus 2019 bestätigen diesen Trend eindeutig. Bei der Nutzung gilt es, nicht nur die Lebensdauer solcher Materialien zu betrachten, sondern diese aktuell auch ins Verhältnis zum CO2-Fußabdruck zu setzen.

Die normalerweise eingesetzten Naturfasern sind Hanf, Flachs, Jute und Kenaf. Ergebnisse aus dem Jahr 2015 zeigen, dass der CO2-Fußabdruck aller vier Fasern im Vergleich zu herkömmlichen Glas- und Mineralfasern deutlich geringer ist. Außerdem haben die Forscher des Nova Institute aus Hürth festgestellt, dass die CO2-Fußabdrücke der verschiedenen Naturfasern sich sehr ähnlich sind.

Initial herausragende Vergleichswerte für Naturfasern

Die Werte sind tatsächlich beeindruckend positiv: Die Produktion von einer Tonne Glasfasern bedeutet einen CO2-Fußabdruck von etwa 1,7 bis 2,2 Tonnen CO2, während Naturfasern nur einen CO2-Fußabdruck von etwa 0,5 bis 0,7 Tonnen CO2 pro Tonne Naturfaser aufweisen (ohne Transport zum Kunden). Das ist also nur ein Drittel des CO2-Fußabdrucks von Glasfasern. Auch wenn der anfängliche Vorteil in der Weiterverarbeitung abnimmt, haben Naturfaserverbundwerkstoffe im Vergleich zu Glasfaserverbundwerkstoffen einen um 20 bis 50 Prozent geringeren Fußabdruck.

Beim Transport der verschiedenen Naturfasern beträgt der Kohlendioxidausstoß bis zum Werkstor eines europäischen Vliesstoffherstellers im Automobil- oder Dämmstoffsektor für alle vier Naturfasern etwa 750 kg CO2 pro Tonne Naturfaser. Jute und Kenaf weisen aufgrund der manuellen Verarbeitung geringere Emissionen bei Anbau, Ernte und Dekontamination auf, aber ein langer Transport nach Europa gleicht diesen Vorteil aus.

Ist der CO2-Fußabdruck das richtige Maß?

Obwohl der CO2-Fußabdruck an sich ein sehr nützliches Instrument zur Beurteilung der Klimaauswirkungen von Produkten sind, muss eine umfassende ökologische Bewertung weitere Umweltkategorien berücksichtigen, so die Forscher des Nova Institute. Nur die Berücksichtigung von Treibhausgasemissionen kann zu unzureichenden Produktprüfungen und Handlungsempfehlungen führen, insbesondere wenn andere Umweltauswirkungen überhaupt nicht berücksichtigt wurden. Eine Aufgabe weiterführender Studien ist es daher, andere Wirkungskategorien zu berücksichtigen. Darüber hinaus umfasst Nachhaltigkeit auch soziale und wirtschaftliche Aspekte. Da Naturfasern in vielen Branchen eingesetzt werden, ist die Zertifizierung ein geeignetes Instrument, um Nachhaltigkeit nachzuweisen.

 

Antimonoxid als Flammschutzmittel – effizient aber auch gefährlich?

 Schwerentflammbare, beschichtete Gewebe enthalten typischerweise Flammschutzmittel in der Beschichtung. Es gilt: Je dünner das Gewebe und die Beschichtung sind, umso effizientere Flammschutzausrüstungen sind erforderlich. Dabei stellt Antimonoxid einen sogenannten Synergisten dar, der in Kombination mit halogenhaltigen Flammschutzmitteln in Kunststoffen einen sehr effizienten Flammschutz darstellt. Stäube von Antimonoxid, die über die Lunge in den Körper kommen können, werden jedoch allgemein als krebserzeugend eingestuft.

Daher werden zur Zeit Untersuchung durchgeführt, die Aussagen darüber zu treffen sollen, ob von beschichteten Textilien, die mit Antimonoxid ausgerüstet sind, eine Gesundheitsgefährdung ausgehen kann, berichtet Sebastian Eibl vom Wehrwissenschaftliches Institut für Werk- und Betriebsstoffe in Erding.

Den besonderen Aspekt bildet hierbei die Tatsache, dass eine gesundheitsschädliche Wirkung durch eine Aufnahme über die Haut nicht bekannt ist. Damit stellt sich die Frage, ob eine Gesundheitsgefährdung durch Antimonoxid überhaupt möglich ist, wenn es als Flammschutzmittel im Material der Beschichtung eingebettet vorliegt und nicht permanent freigesetzt wird.

Um den Einfluss von Feuchte und Alterungszustands der Gewebe zu berücksichtigen, wurden Auslagerungsversuche vorgenommen, die bis zu zwölf Wochen dauern. Dabei stellte sich heraus, dass durch die Auslagerung in feuchter Luft bei gleichzeitig erhöhten Temperaturen Antimonoxid oberflächlich freigelegt wird.

Um das Freisetzungsverhalten über längere Zeiträume bei Raumtemperatur aus Labordaten vorherzusagen, wurde ein Verfahren nach „Arrhenius“ angewendet (quantitative Temperaturabhängigkeit bei physikalischen und vor allem chemischen Prozessen, bei denen auf molekularer Ebene eine Aktivierungsenergie überwunden werden muss). Hierbei kann man schlussfolgern, dass der Einfluss von Feuchte kritisch bezüglich einer Antimonoxid-Freilegung bei typischen Umgebungsbedingungen ist – zehn Prozent des gesamt enthaltenen Antimonoxids entweichen bei 20°C nach wenigen Jahren.

Gesundheitsgefährdung – ja oder nein?

Für die Bewertung einer möglichen Gesundheitsgefährdung durch Antimonoxid sind vor allem Stäube relevant, die beim Einatmen in die Lunge gelangen. Mit den hier dargestellten Untersuchungen wird jedoch lediglich die grundsätzliche Möglichkeit einer oberflächlichen Freilegung geprüft. Explizite Untersuchungen zur Freisetzung von Stäuben wurden nicht durchgeführt. So lange das Material in das Polymer eingebettet vorliegt, ist von keiner relevanten Exposition eines Nutzers auszugehen.

Es reicht es jedoch nicht aus, in Untersuchungen das Gewebe nur im Neuzustand zu bewerten. Eine mögliche Exposition oder eine Freisetzung von Antimonoxid muss auch während der Nutzung nachgewiesenermaßen ausgeschlossen werden. Im Sinne einer Risiko-Nutzen-Abwägung kann bei einem begründeten Bedarf einer effizienten Flammhemmung in Geweben mit dünnen Beschichtungen die Verwendung von Antimonoxid als Flammschutzmittel-Synergist durchaus sinnvoll sein.

Gegenwärtig werden weitere Anstrengungen zur Bewertung und Einstufung des gesundheitsgefährdenden Potenzials unternommen. Eine mögliche Regulierung durch „REACH“ (einer EU-Verordnung) ist nach Aussage durch das „Bundesinstitut für Risikobewertung“ jedoch in einem geschätzten Zeitraum von etwa zehn Jahren nicht zu erwarten.

Japanische Brandschutz-Materialien aus papierdünnem Material

Ein Brand entsteht manchmal scheinbar aus dem Nichts und kann sich so schnell ausbreiten, dass für die anwesenden Personen kaum Rettung möglich ist. Ein Grund, warum gute Brandschutz-Eigenschaften für Materialien, die in öffentlichen Bereichen (Flugzeuge, Schiffe, Eisenbahnen, Autos und öffentliche Gebäuden wie Hotels und Theater) eingesetzt werden, absolut elementar ist. Weserland bietet für diese Bereiche halogenfreie und raucharme Flammschutz-Compounds an, die speziell auf die jeweiligen Anforderungen und Einsatzzwecke abgestimmt sind. So können neben Erfordernissen bezüglich Flammschutz, Rauchgasdichte und -toxizität auch die "klassischen" Anforderungen, wie gute Schnittkantenverfestigung bzw. Pol- und Noppeneinbindung, sowie antistatische Eigenschaften erfüllt werden.

Gerne schauen wir mit unseren Entwicklungs-Teams auch über den Tellerrand und sind dabei auf neue Material Gulfeng von Toray (Tokio) gestoßen, das sehr gute Brandschutzeigenschaften mit sehr guten mechanischen Eigenschaften kombiniert.

Was Gulfeng interessant macht, sind seine mechanischen Eigenschaften und die Vielfalt, mit der sich die Fasern verarbeiten lassen. Wo klassische Werkstoffe dazu tendieren dick und steif zu sein, ist Gulfeng dünn, leicht und flexibel. Es lässt sich zu Stoff verweben, stricken oder zu weichen Matten verfilzen. Das Material ist papierdünn (0,06 mm bei 60 g/qm) und kann daher auch sogar im Bettenbereich verwendet werden. Entsprechende Test waren sehr erfolgreich und zeigten eine gute Flammhemmung.

Der flammblockende Effekt von Gulfeng beruht auf der Kombination von zwei Materialien – Polyphenylensulfid (PPS) und oxidiertes Polyacrylnitrit (Ox-PAN), eine nichtschmelzende, temperaturbeständige Faser aus thermisch stabilisiertem PAN.

Karbonisierung unter Ausschluss von Sauerstoff

Wenn das Material einer Flamme ausgesetzt wird, reagieren alle Varianten gleich: Das Gewebe heizt sich auf und beginnt bei 285 °C schmelzen.  Der flüssige Kunststoff bildet dann eine dünne Haut um die oxidierten Fasern, die die Hitze der Flamme unter Ausschluss von Sauerstoff absorbieren, deshalb auch nicht verbrennen. Dabei kommt es zur Karbonisierung – die Fasern wandeln sich in widerstandsfähiges Graphit um. Das geschmolzene Material füllt die Lücken und karbonisiert ebenfalls, sodass eine geschlossene Membran aus Kohlenstoff entsteht, die eine ausgezeichnete Barriere gegen die Flammen bildet.

Dank der guten Materialeigenschaften von Gulfeng kann man einen hohen Komfort und sehr dünne Polster realisieren. Gerade bei der Bestuhlung von Flugzeugen kämpfen ja viele Airlines um jeden Millimeter.   

Eine weitere interessante Entwicklung ist ein Basismaterial für ein Kunstleder. Zusammen mit einem japanischen Kunstlederhersteller entstand ein leichtes und dünnes Material – und da es Gulfeng als Grundgewebe verwendet, ist der Flammschutz bereits mit eingebaut. Normales Kunstleder benötigt eine zusätzliche Schicht als Flammenblocker zwischen dem Außenmaterial und dem Sitzpolster. Diese kann mit dem Spezial-Leder entfallen oder deutlich dünner sein, was insgesamt Gewicht spart und die Herstellung erleichtert.

Funktionale Beschichtung: Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf 3D-gedruckten Polymeroberflächen

3D-gedruckte Bauteile haben einen unverkennbaren Vorteil: Sie verfügen über eine sehr freie Formgebung. Doch bei der Beschichtung, vor allem bei der nachträglichen Funktionalisierung durch andere Materialien wird diese freie Form unter Umständen zum Problem. Die freie Form der 3D-Bauteile macht diese unzugänglich für viele Beschichtungsverfahren, insbesondere im Niederdruck. Hinzu kommt, dass es schwierig ist, 3D­Druckverfahren wie das „Fused Deposition Modeling“ (FDM) mit Niederdruckbeschichtungs-Verfahren, wie Sputter-Deposition, Aufdampfen, plasmaunterstützte chemische Gasphasen-Abscheidung, zu kombinieren.

Die eigentliche Materialoberfläche ist eine wichtige Einflussgröße, die die Verwendbarkeit vieler Kunststoffmaterialien maßgeblich bestimmt. Dabei geht es darum durch Beschichtungs- und Funktionalisierungs-Prozesse die Oberflächen-Chemie zu verändern. Im Falle von Beschichtungen bringt dabei das schichtbildende Material die benötigten chemischen Gruppen mit, während bei der Funktionalisierung eine Ankopplung der chemischen Gruppen direkt an die Oberfläche bewirkt wird.

Es geht also darum Oberflächen zu erzeugen, die die Adhäsion zu weiteren Beschichtungen oder Materialien verstärken oder verringern, dabei die Migration von Weichmachern zu reduzieren sowie die mechanische oder chemische Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu verbessern.

Eine Lösung hierfür kann die Verwendung des Atmosphärendruck-Plasma-Verfahren sein, das sich in Form von Plasmajets in FDM-Anlagen integrieren lassen, schreibt Dr. Thomas Neubert, Projektleiter am Braunschweiger Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik in einem Artikel im Fachmagazin „Plastverarbeiter“.

Kombination von 3D-Druck und Plasmajet-Beschichtung

Am Fraunhofer-Institut werden so genannte dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) eingesetzt. Hohe Spannungen führen hierbei zu einer elektrischen Gasentladung in einem Spalt zwischen zwei Elektroden, die so als eigentliche Energiequelle dient. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Kombination von 3D-Druck und Plasmajet-Beschichtung auch die inneren Oberflächen der Polymer-Implantate erfolgreich beschichtet werden. Die Beschichtungen drangen abhängig von Strukturdichte, dem Arbeitsgasfluss und dem Precursor-Dampfdruck mehrere Millimeter in die Polymerstruktur ein. Auch ein Pulsen der elektrischen Leistung des Plasmajets ist möglich und erhöht damit unter Umständen die Dichte der nukleophilen Gruppen auf der Substratoberfläche.

Die Konzentration auf ein solches Verfahren wird deutlich, wenn man beachtet, dass Atmosphärendruck-Plasma-Prozesse sich – verglichen mit anderen Gasphasenbeschichtungs-Prozessen– durch geringe Investitionskosten, hohe Behandlungsgeschwindigkeiten sowie gute Skalierbarkeit auszeichnen. Zudem existieren verschiedene, industriell etablierte Behandlungs-Quellen für flache, gekrümmte oder dreidimensionale Substrate.

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