Paper as Reinforcement in Paper-Epoxy Composites and All-Cellulose Composites

Faserverbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen werden aufgrund des Nachhaltigkeitsgedankens immer häufiger verwendet. Neben der Substitution von rohölbasierten Kunststoffen spielt die Verwendung von pflanzlichen (Ligno-) Cellulose Fasern eine wichtige Rolle. Papier bzw. Zellstoff wurde bereits als Faserkomponente in Verbundwerkstoffen eingesetzt, aber bekannte Prozesse der Papierherstellung wurden bisher nur punktuell benutzt, um unterschiedliche Festigkeiten von Verbundwerkstoffen zu erreichen. Ebenso ist kein Verständnis vorhanden, welcher Mechanismus der beobachteten Festigkeitssteigerung zugrunde liegt und ein qualitativer Zusammenhang zwischen Papier/Fasereigenschaften und Verbundfestigkeiten ist nur in wenigen Ausnahmefällen konnte nur in wenigen Fällen hergestellt werden.

Das erste Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss wichtiger Papierherstellungsprozesse auf die Festigkeit von Papier-Epoxidverbundwerkstoffen systematisch zu untersuchen. Dazu wurden Faserstoffmahlung, Fraktionierung, verschiedene Faserlängen/Faserschlankheitsgrade und Faserorientierungen im Papier gezielt eingesetzt, um Verbundwerkstoffe unterschiedlicher Festigkeiten fertigen zu können. Die erreichten Festigkeiten lagen zwischen 87 MPa und 142 MPa. Besonders die Mahlung und die Faserorientierung zeigten einen starken Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten. Auf diese Versuche aufbauend wurde bewiesen, dass die Mischungsregel angewendet werden kann, um die Verbundfestigkeit aufgrund der Nullreißlänge des (orientierten) Papiers und des Spannungs-Dehnungsverhaltens der Matrix vorherzusagen.

Der Elastizitätsmodul von papierbasierten Verbundwerkstoffen konnte nicht anhand von Fasereigenschaften vorhergesagt werden, da eine praktikable Messung des Faser- Elastizitätsmoduls bisher nicht verfügbar ist. Jedoch lässt sich die Anisotropie des Elastizitätsmoduls anhand der Anisotropie der Nullreißlänge vorhersagen.

Orientiertes Papier wurde ebenfalls verwendet, um multi-axiale Verbundwerkstoffe herzustellen. Die Gültigkeit der klassischen Laminattheorie für Papierverbundwerkstoffe wurde an diesen Proben bewiesen.

Neben den Arbeiten an Verbundwerkstoffen mit Epoxidharz als Matrix wurden All- Cellulose Composites aus orientiertem Papier hergestellt. Bei All-Cellulose Composites besteht die Matrix, wie die Faser, hauptsächlich aus Cellulose. In der vorliegenden Arbeit wurde orientiertes Papier mit 1-Ethyl-3methylimidazoliumacetat (EMIMAc) teilweise gelöst und die in Lösung gegangene Cellulose als Matrix im Papier ausgefällt. Hierbei wurde mit unterschiedlicher Lösedauer die Morphologie der Werkstoffe verändert, was sich jedoch nicht auf die Festigkeiten auswirkte. Röntgenbeugungsmessungen zeigten, dass das Verhältnis zwischen gelöster und anschließend ausgefällter Cellulose zur natürlichen Cellulose I sich nicht mit zunehmender Lösedauer veränderte. Die Orientierung der Cellulosekristalle in der Blattebene entsprechend der Faserorientierung konnte ebenfalls mit Röntgenbeugungsmessungen nachgewiesen werden.

Analog zu den Papier-Epoxidverbunden konnte ein starker Einfluss der Orientierung bewiesen werden. Festigkeiten von 180 MPa in Faserrichtung und 90 MPa quer zur hauptsächlichen Faserrichtung wurden erreicht. Der Elastizitätsmodul verhielt sich mit 18 GPa in Faserrichtung und 8 GPa quer dazu ähnlich.

Multi-axiale Laminate wurden aus orientiertem Papier gefertigt, um zu bestätigen, dass die klassische Laminattheorie hier ebenfalls anwendbar ist.