Der Faser-Matrix-Haftung auf die Sprünge helfen

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Darüber hinaus verdichten sich nun Hinweise darauf, dass eine Strahlenbehandlung nicht nur den Vernetzungsgrad im Kunststoff erhöht, sondern offenbar auch dazu beiträgt, in Faserverbundkunststoffen die Haftung der Fasern an die Kunststoffmatrix zu verstärken. In Kooperation mit Hochschulinstituten und Forschungseinrichtungen geht BGS diesem neu entdeckten Phänomen auf den Grund.

Im unbehandelten Zustand ist die Faser-Matrix-Haftung schwach

Generell gilt, dass eine mechanische Verstärkung durch Fasern nur dann zu erreichen ist, wenn Faser und Matrix miteinander interagieren. Dazu muss eine über Adhäsionskräfte physikalisch vermittelte Haftung an den Grenzflächen stattfinden und auf diese Weise eine Kraftübertragung möglich sein. Der häufig verwendete Faserwerkstoff Glas ist jedoch von Natur aus reaktionsträge, und auch der ihn umgebende Kunststoff will eigentlich gar nicht interagieren. Werden also Fasern gewissermaßen nativ in eine Kunststoffmatrix eingebettet, würden bei nur schwach wirksamen Adhäsionskräften die Systembestandteile unter Zugbelastung an den Grenzflächen in Faserrichtung einfach aneinander vorbeigleiten – und nichts wäre gewonnen.

Schon bei der Herstellung anorganischer Verstärkungsfasern für FVK werden deshalb deren Oberflächen behandelt und meist mit sogenannten Haftvermittlern versehen. Die Haftvermittler verbessern den adhäsiven Kraftaustausch oder bewirken eine irreversible Verknüpfung von Faser und Matrix durch kovalente Bindungen. Auch Verbundsysteme auf Basis von Naturfasern wie Flachs, Hanf, Ramie oder Baumwolle zeigen nur eine schwache Adhäsion zwischen Faser und Kunststoffmatrix. Ohne die Zugabe von Haftvermittlern wie Maleinsäureanhydrid in den Matrixwerkstoff während des thermoplastischen Verarbeitungsprozesses ist die Interaktion an der Grenzfläche zwischen der Zellulosefaser und dem sie umgebenden Polyolefinwerkstoff schlecht.

In der Arbeitsgruppe Biologische Werkstoffe des Bionik-Innovations-Centrums der Hochschule Bremen beschäftigt sich Prof. Dr.-Ing. Jörg Müssig mit seinem Team intensiv mit Naturfasern und Naturfaserverbundsystemen für nachhaltige Werkstoffkonzepte. Um einen Weg zu finden, wie sich die Zugabe kostenintensiver Additive bei Naturfaserverbundsystemen vermeiden lässt, sind die Bremer Forscher den Hinweisen in der Literatur nachgegangen, die Adhäsion zwischen Faser und Matrix mit Bestrahlung zu verbessern zu können.

Herstellung molekularer Bindungen zwischen Naturfasern und Matrix

Anders als bei den anorganischen Glasfasern sind die Oberflächen von Naturfasern polar ausgebildet; reaktionsbereite Ionen warten dort also nur darauf, interagieren zu können. Wenn man dieses Andockpotenzial der Fasern nutzen will, muss also ein Verfahren her, mit dem die nichtpolaren Kontaktflächen der Kunststoffmatrix aufgebrochen werden können. So erwartete das Team um Prof. Jörg Müssig, mit dem Eintrag hochenergetischer Strahlung Kunststoffradikale an den Grenzflächen des Matrixwerkstoffs erzeugen und die Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen den Kettenmolekülen des Matrixwerkstoffs und den Zellulosemolekülen provozieren zu können.

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