Basaltfaserverstärkte Kunststoffe für Automobilanwendungen

Basalt ist nicht nur ein geeignetes Material für den Straßenbau oder Gebäudefassaden. Das Naturgestein lässt sich auch als Verstärkungsfaser in thermoplastischen Verbundmaterialien einsetzen. Das ist das Ergebnis eines gemeinsamen Forschungsprojekts des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und der Deutschen Basaltfaser DBF GmbH. Die neuartigen Werkstoffe könnten etwa als Leichtbaumaterialien in der Automobilbranche eingesetzt werden.

»Basalt hat eine hohe thermische Beständigkeit, gute mechanischen Eigenschaften und nimmt wenig Wasser auf. Wir wollten untersuchen, ob es damit – neben den bereits existierenden Marktanwendungen wie Verstärkungslösungen in Beton – auch als Material für thermoplastische Verbundwerkstoffe infrage kommt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Basaltfasern gut verarbeiten lassen und eine echte Alternative zu Glasfasern darstellen können«, sagt Ivonne Jahn, Gruppenleiterin für thermoplastbasierte Faserverbund-Halbzeuge am Fraunhofer IMWS und Leiterin des Projektes.

Argumente für den Einsatz von Basalt sind eine günstige Ökobilanz, sehr gute Eigenschaftsprofile vergleichbar zu Glasfaser und die Kostenvorteile im Vergleich zur Carbonfaser. Der Nachweis der Einsatzfähigkeit in Thermoplast-Compositen (TPC) ebnet den Weg vor allem für Anwendungen in der Automobilindustrie, wo diese Halbzeuge eine besonders wichtige Rolle spielen.

Innerhalb des zweieinhalb Jahre währenden Forschungsvorhabens wurden an kurzfaserverstärkten Thermoplast-Compositen insbesondere der Einfluss von Fasergeometrie, Faseranteil und Faservorbehandlung auf die Anbindung der unterschiedlichen Basaltfaser-Muster an die thermoplastischen Matrixsysteme (Polypropylen bzw. Polyamid) und damit auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Faser-Matrix-Grenzfläche und Matrixmorphologie wurden dabei mittels Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Auch der Frage nach geeigneten Modifikatoren für die Rezeptur, optimalen Einstellungen für den Compoundierprozess sowie Verbesserungsmöglichkeiten für das Faserhandling bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der Basaltfasern, beispielsweise eine konstante Faserzufuhr in den Extruder, wurde nachgegangen.

Basierend auf diesen Erkenntnissen zu Material- und Prozessuntersuchungen an kurzfaserverstärkten Basaltfaser-Compounds wurden endlosfaserverstärkte Basaltfaser-TPC-Halbzeuge hergestellt, genauer gesagt: UD-Tapes. Diese thermoplastischen Folien sind mit Endlosfasern unidirektional verstärkt und werden zu Laminaten weiterverarbeitet. Dabei lässt sich die Faserverstärkung genau der Lastverteilung im späteren Bauteil anpassen. »Die endlosfaserverstärkten Tapes haben wir im Schmelzedirektimprägnierverfahren hergestellt und im Hybrid-Spritzgussverfahren mit kurz- oder langfaserverstärktem Material kombiniert. Auch dabei konnten wir zahlreiche Ansatzpunkte für die Optimierung des Eigenschaftsprofils identifizieren, etwa zum Spreizverhalten und dem Faserbenetzungsverhalten mit Polymer. Mit dem entstandenen Demonstrator haben wir nachgewiesen, dass sich der Hybridspritzguss beim Einsatz von Basalt-Verstärkungsfasern unter industriellen Bedingungen effizient gestalten lässt. Die erzielten Eigenschaften sind vergleichbar oder besser als die beim Einsatz von Glasfasern. UD-Tapes aus Basaltfasern und Polypropylen besitzen damit als innovative Halbzeuge ein großes Potenzial für Anwendungen im thermoplastbasierten Leichtbau«, sagt Jahn. Mit den Ergebnissen könnten somit neue Anwendungsfelder für Basaltfaser-Thermoplast-Composite erschlossen werden, zu denen am Fraunhofer IMWS bereits Folgeprojekte laufen.