Studie über mikroporöse Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe auf Polypropylenbasis

Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (WPC) mit ihrer hohen Härte, Wasser- und Termitenbeständigkeit sowie ihrer Wiederverwertbarkeit finden derzeit breite Anwendung in der Inneneinrichtung, bei Gebäudesanierungen, im Verpackungs- und Transportwesen sowie bei Sportgeräten. Ihre vergleichsweise niedrigen Materialkosten und die hohe Verwertungsrate tragen dazu bei, die Abholzung von Wäldern zu reduzieren und die Umweltbelastung durch Kunststoffabfälle zu mindern. Die hohe Materialdichte und die geringe Zähigkeit von WPC machen sie jedoch anfällig für Sprödbrüche unter Belastung. Dadurch ist ihre Fähigkeit, wie bei herkömmlichen Polymerwerkstoffen, durch molekulares Kriechen eine Deformationswarnung auszulösen, eingeschränkt.

Da herkömmliche Schäumverfahren nicht ausreichen, um die Sprödigkeit von WPC zu verbessern, Forscher im In- und Ausland haben das Konzept des mikroporösen Schäumens auf Basis des Zähigkeitsprinzips anorganischer Nanopartikel vorgeschlagen. Bei der Belastung mikroporöser Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe (WPC) breiten sich Stoßrisse hauptsächlich entweder direkt durch die Poren oder entlang der Porenwände aus. Die plastische Verformung der Poren absorbiert dabei einen erheblichen Teil der Energie, wodurch die Rissspitze abgestumpft und die Rissausbreitung gehemmt wird. Dieses Verfahren verbessert die mechanischen Eigenschaften von WPC, fördert deren Einsatz in Hochleistungsanwendungen und erhält Vorteile wie geringes Gewicht, Materialeffizienz, Schall- und Wärmedämmung.

Beim Extrusionsprozess von WPC beruht die Ausbildung innerer mikroporöser Strukturen hauptsächlich auf der Empfindlichkeit der Gaslöslichkeit in der Schmelze gegenüber Strömungs- und Temperaturfeldern. Die Gaserzeugung erfolgt durch Druckreduzierung oder Erwärmung. Die mikroporöse Struktur bildet sich anschließend in den drei Phasen „Nukleation – Wachstum – Stabilisierung“. Das Treibgas entsteht primär durch thermische Zersetzung chemischer Treibmittel oder Verflüchtigung physikalischer Treibmittel. Die Erzeugungsmethode bestimmt nicht nur die Ausbildung der inneren Porenstruktur, sondern beeinflusst auch direkt die Porenmorphologie und -größe.

Dementsprechend wurden Polypropylen-basierte Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe (WPC) als Untersuchungsobjekte verwendet, wobei Azodicarbonamid (AC) und Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) als chemische Treibmittel zum Einsatz kamen. Ihr thermisches Zersetzungsverhalten und ihre Auswirkungen auf die Porenmorphologie der WPC-Proben wurden vergleichend analysiert. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Treibmittelzusammensetzung und unterschiedlicher Treibmittelkonzentrationen auf die mechanischen Eigenschaften der WPC-Proben bei verschiedenen Gasbildungsmengen untersucht, um eine theoretische Grundlage für die nachfolgende Prozessoptimierung und Produktentwicklung zu schaffen. Die Ergebnisse zeigen:

1. Das AC/Zinkoxid-Komposit-Schaummittel kann die Gasfreisetzungstemperatur während der thermischen Zersetzung bei etwa 173 °C steuern und so den durch Hochtemperaturzersetzung verursachten Abbau von Holzmehl wirksam verhindern. Im Vergleich zum AC/Zinkoxid-System löst das NaHCO₃-Schaummittel-Masterbatch mit geringerer Gasproduktion und einem größeren Zersetzungstemperaturbereich leichter multiple Nukleationsereignisse aus, was zu einer bimodalen Porengrößenverteilung führt.

2. Im Vergleich zum NaHCO3-Masterbatch und dem aus beiden bestehenden Verbundtreibmittel erzeugt das AC/Zinkoxid-Verbundsystem leichter eine „kleine und dichte“ mikroporöse Struktur und erzielt Probeneigenschaften mit einer Schlagfestigkeit von 6 kJ/m², einer Zugfestigkeit von 8 MPa und einer Biegefestigkeit von 16,6 MPa.

3. Bei Verwendung des AC/Zinkoxid-Komposits im Verhältnis 1:1 wird das im Kompositmaterial enthaltene Schaumgas vollständig von der Schmelze umschlossen, wodurch ein Gasaustritt verhindert wird. Gleichzeitig wird eine schnelle Übersättigung erreicht, was die Keimbildungsrate erhöht und die Keimbildungsqualität verbessert. Dies führt zu einer mikroporösen Struktur mit einer durchschnittlichen Porengröße von 71 μm und einer Porendichte von 2,7 × 10⁴ Poren/cm³, wodurch eine hervorragende Tragfähigkeit erzielt wird.