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Foto: pixabay
10.08.2021

Stand-up-Paddleboard aus nachwachsenden Leichtbau-Materialien

Stand-up-Paddling hat sich zum Trendsport entwickelt. Herkömmliche Surfbretter bestehen jedoch aus erdölbasierten Materialien wie Epoxidharz und Polyurethan.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI wollen die Kunststoff-Boards durch nachhaltige Sportgeräte ersetzen: Sie entwickeln ein Stand-up-Paddle, das zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Das ökologische Leichtbau-Material ist vielseitig einsetzbar, etwa beim Bau von Gebäuden, Autos und Schiffen.

Stand-up-Paddling hat sich zum Trendsport entwickelt. Herkömmliche Surfbretter bestehen jedoch aus erdölbasierten Materialien wie Epoxidharz und Polyurethan.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI wollen die Kunststoff-Boards durch nachhaltige Sportgeräte ersetzen: Sie entwickeln ein Stand-up-Paddle, das zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Das ökologische Leichtbau-Material ist vielseitig einsetzbar, etwa beim Bau von Gebäuden, Autos und Schiffen.

Stand-up-Paddling (SUP) ist eine naturverbundene Sportart, doch die Kunststoffboards sind alles andere als umweltfreundlich. In der Regel werden zur Produktion der Sportgeräte erdölbasierte Materialien wie Epoxidharz, Polyesterharz, Polyurethan und expandiertes oder extrudiertes Polystyrol in Kombination mit Glas- und Carbonfasergeweben genutzt. In vielen Teilen der Welt werden diese Kunststoffe nicht recycelt, geschweige denn ordnungsgemäß entsorgt. Große Mengen des Plastiks landen im Meer und sammeln sich in riesigen Meeresstrudeln.

Für Christoph Pöhler, Wissenschaftler am Fraunhofer WKI und begeisterter Stand-up-Paddler, war dies Anlass, über eine nachhaltige Alternative nachzudenken. Im Projekt ecoSUP treibt er die Entwicklung eines SUP voran, das zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und das darüber hinaus besonders fest und langlebig ist. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Das Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW begleitet die Forschungsarbeiten. Projektpartner ist die TU Braunschweig.

Balsaholz aus Rotorblättern zurückgewinnen
»Bei gängigen Boards wird der Polystyrol-Kern, also das, was man als Styropor kennt, mit Glasfasern verstärkt und mit einem Epoxidharz versiegelt. Wir nutzen hingegen biobasierten Leichtbau-Werkstoff«, sagt der Bauingenieur. Für den Kern verwenden Pöhler und seine Kollegen rezykliertes Balsaholz. Dieses weist eine sehr geringe Dichte auf, sprich: es ist leicht und dennoch mechanisch beanspruchbar.

Balsaholz wächst vor allem in Papua-Neuguinea und in Ecuador, hierzulande wird es seit vielen Jahren in großen Mengen in Windenergieanlagen verbaut – bis zu sechs Kubikmeter des Werkstoffs befinden sich in einem Rotorblatt. Derzeit gehen viele der Anlagen vom Netz. Allein im Jahr 2020 wurden 6.000 abgebaut. Ein Großteil davon wandert in die thermische Verwertung. Sinnvoller wäre es, den Werkstoff aus dem Rotorblatt zurückzugewinnen und gemäß der Kreislaufwirtschaft wiederzuverwerten. »Genau dies war unsere Überlegung. Das wertvolle Holz ist zu schade für die Verbrennung«, sagt Pöhler.

Da das gesamte Sandwichmaterial, das in herkömmlichen Boards verwendet wird, komplett ersetzt werden soll, besteht auch die Hülle des ökologischen Boards aus 100 Prozent biobasiertem Polymer. Sie wird mit in Europa angebauten Flachsfasern verstärkt, die sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften auszeichnen. Um die Hülle über den Balsaholzkern zu ziehen, verwenden Pöhler und sein Team das Handlaminier- und das Vakuuminfusionsverfahren. In Machbarkeitsstudien wird derzeit noch die optimale Methode untersucht. Ein erster Demonstrator des ökologischen Boards soll Ende 2022 vorliegen. »Im Sinne des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung wollen wir Naturfasern und biobasierte Polymere überall dort einsetzen, wo es technisch möglich ist. Vielerorts wird GFK eingesetzt, obwohl ein biobasiertes Pendant das gleiche leisten könnte«, resümiert Pöhler.

Patentierte Technologie zum Herstellen von Holzschaum
Doch wie gelingt es, das Balsaholz aus dem Rotorblatt zurückzugewinnen – schließlich ist es mit der äußeren Hülle, einem Glasfaserverbundkunststoff (GFK), fest verklebt? Zunächst wird das Holz in einer Prallmühle vom Compositwerkstoff abgetrennt. Über die Dichteunterschiede lassen sich die Materialmixstrukturen über einem sogenannten Windsichter in die einzelnen Bestandteile aufsplitten. Anschließend werden die als Späne und Bruchstücke vorliegenden Balsaholzfasern feingemahlen. »Dieses sehr feine Ausgangsmaterial benötigen wir, um Holzschaum herzustellen. Dafür hat das Fraunhofer WKI eine patentierte Technologie«, erläutert der Forscher. Dabei werden die Holzpartikel zu einer Art Kuchenteig aufgeschleimt und zu einem leichten und zugleich festen Holzschaum weiterverarbeitet, der durch die holzeigenen Bindekräfte hält. Die Zugabe von Klebstoff ist nicht erforderlich. Dichte und Festigkeiten des Schaums lassen sich einstellen. »Dies ist insofern wichtig, da die Dichte nicht zu hoch sein sollte. Andernfalls wäre das Stand-up-Paddle zu schwer für den Transport.«

Zunächst legen die Forschenden den Fokus auf SUPs. Das Hybridmaterial eignet sich jedoch auch für alle anderen Boards, etwa Skateboards. Das künftige Anwendungsspektrum ist breit: Denkbar ist beispielsweise der Einsatz als Fassadenelement in der Wärmedämmung von Gebäuden. Die Technologie kann darüber hinaus beim Bau von Fahrzeugen, Schiffen und Zügen verwendet werden.

Doppelgreifer-Webmaschine des Fraunhofer WKI mit dem Jacquardaufsatz © Fraunhofer WKI | Melina Ruhr. Doppelgreifer-Webmaschine des Fraunhofer WKI mit dem Jacquardaufsatz
02.06.2020

Fraunhofer WKI: Klimafreundliche Hybridfaserwerkstoffe auf Basis nachwachsender Naturfasern

Durch die am Fraunhofer WKI erzielten neuen Kombinationsmöglichkeiten von biobasierten Hybridfaserwerkstoffen erweitern sich die industriellen Einsatzmöglichkeiten für nachwachsende Rohstoffe – beispielsweise beim Fahrzeugbau, aber auch bei Gebrauchsgegenständen wie Helmen oder Skiern.

Mit der Erhöhung des Flachsfaseranteils in Hybridfaserwerkstoffen auf bis zu 50 Prozent zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass es möglich ist, den biogenen Anteil in Verbundwerkstoffen deutlich zu steigern. Das Besondere an den getesteten Verfahren: Die Gewebe können mit Hilfe einer Webmaschine individuell zusammengestellt werden. Auf diese Weise lassen sich in der industriellen Produktion Prozessschritte einsparen, in denen Materialien erst zusammengefügt werden müssten. Über den gesamten Produktionsprozess gesehen, würden so Energie- und CO2-Reduktionen erreicht.

Durch die am Fraunhofer WKI erzielten neuen Kombinationsmöglichkeiten von biobasierten Hybridfaserwerkstoffen erweitern sich die industriellen Einsatzmöglichkeiten für nachwachsende Rohstoffe – beispielsweise beim Fahrzeugbau, aber auch bei Gebrauchsgegenständen wie Helmen oder Skiern.

Mit der Erhöhung des Flachsfaseranteils in Hybridfaserwerkstoffen auf bis zu 50 Prozent zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass es möglich ist, den biogenen Anteil in Verbundwerkstoffen deutlich zu steigern. Das Besondere an den getesteten Verfahren: Die Gewebe können mit Hilfe einer Webmaschine individuell zusammengestellt werden. Auf diese Weise lassen sich in der industriellen Produktion Prozessschritte einsparen, in denen Materialien erst zusammengefügt werden müssten. Über den gesamten Produktionsprozess gesehen, würden so Energie- und CO2-Reduktionen erreicht.

Erfolgreich verwebt: Unterschiedliche Hybridgewebe
Angesichts der gestiegenen Anforderungen an den Umwelt- und Klimaschutz suchen Wissenschaft und Industrie in sämtlichen Produktionszweigen nach nachhaltigen Alternativen zu herkömmlichen Materialien. Bei Werkstoffen bietet die Verwendung von Naturfasern eine nachhaltige Lösungsmöglichkeit. Aufgrund ihrer geringen Dichte bei gleichzeitig hoher Stabilität können aus Naturfasern hoch belastbare Leichtbaumaterialien erzeugt werden, die sich gut recyceln lassen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer WKI haben sich im Projekt »ProBio« daher die Frage gestellt, wie der Anteil an Naturfasern in biobasierten Hybridfaserwerkstoffen möglichst weit gesteigert werden kann. Zum Einsatz kam dabei eine Doppelgreifer-Webmaschine mit Jacquardaufsatz, um die biobasierten Hybridfaserwerkstoffe herzustellen.

Ganz gezielt haben sich die Forschenden mit biobasierten Hybridfaserverbundwerkstoffen (Bio-HFW) beschäftigt. Bio-HFW bestehen aus einer Kombination von Fasern auf Cellulosebasis wie Flachsfasern und synthetischen Hochleistungsfasern wie Carbon- oder Glasfasern zur Verstärkung. Bio-HFW können beispielsweise im Fahrzeugbau zum Einsatz kommen. Als Neuheit haben die Forscherinnen und Forscher im Projekt »ProBio« verschiedene Fasermaterialienkombinationen, Verstärkungsfasern und auch Matrixfasern mit Hilfe der Doppelgreifer-Webmaschine ineinander verwebt. Dieses Vorgehen unterscheidet sich von Verfahren, in denen fertige Gewebe übereinandergeschichtet werden.

»Wir haben die vorteilhaften Eigenschaften der Fasermaterialien in einem Verbundwerkstoff so kombiniert, dass wir Schwachstellen einzelner Komponenten ausgleichen konnten und so teilweise auch neue Eigenschaften erzielt haben. Außerdem ist es uns gelungen, den Anteil von biobasierten Fasern auf bis zu 50 Prozent Flachsfasern zu erhöhen, die wir mit 50 Prozent Verstärkungsfasern kombiniert haben«, beschreibt Projektmitarbeiterin Jana Winkelmann das Vorgehen. Die Bio-Hybrid-Textilien aus jeweils 50 Gewichtsprozent Carbon- und Flachsgewebe werden in eine biobasierte Kunststoffmatrix eingesetzt. Der Verbundwerkstoff verfügt über eine Biegefestigkeit, die mehr als doppelt so hoch ist wie die des entsprechenden Verbundwerkstoffs aus flachsbewehrtem Epoxidharz. Diese mechanische Leistungsfähigkeit kann den Einsatzbereich von nachwachsenden Rohstoffen für technische Anwendungen signifikant erweitern.
 
Mit der Webmaschine haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erfolgreich innovative Leichtbau-Verbundmaterialien mit komplexen anwendungsspezifischen Gewebestrukturen und integrierten Funktionen kombiniert. Verstärkungsfasern wie Carbon- und Naturfasern sowie mehrlagige Gewebe und dreidimensionale Strukturen können in einem Arbeitsschritt miteinander verwebt werden. Das bietet für die industrielle Produktion Vorteile, denn auf diese Weise können Produktionsschritte eingespart werden, in denen Materialien erst zusammengefügt werden müssten. »Es ist uns gelungen, beispielsweise leitfähige Garne oder Drähte als Sensoren oder Leiterbahnen direkt im Webprozess einzusetzen und so Gewebe mit integrierten Funktionen herzustellen. Die Einführung von synthetischen Fasern als Schussfaden ermöglicht also die Herstellung von Bio-Hybrid-Verbundwerkstoffen mit isotropen mechanischen Eigenschaften«, erläutert Winkelmann.

Die Webtechnik macht es möglich, neue Produkte mit einem großen Anteil an biobasierten Komponenten im Pilotmaßstab zu erzeugen. Mit dem Projekt »ProBio« demonstriert das Fraunhofer WKI die vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten von Natur- und Verstärkungsfasern und zeigt Möglichkeiten für den Einsatz im Fahrzeugbau auf, aber auch für Gebrauchsgegenstände wie zum Beispiel Helme oder Skier. Die Resultate wurden im Rahmen der 4. Internationalen Konferenz zu Naturfasern (ICNF) in Porto im Juli 2019 vorgestellt. Das Projekt »ProBio«, mit einer Laufzeit vom 1. Juli 2014 bis zum 30. Juni 2019, wurde vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) gefördert.

Zum Hintergrund
Nachhaltigkeit durch Nutzung nachwachsender Rohstoffe steht seit über 70 Jahren im Fokus des Fraunhofer WKI. Das Institut mit Standorten in Braunschweig, Hannover und Wolfsburg ist spezialisiert auf Verfahrenstechnik, Naturfaser-Verbundkunststoffe, Holz- und Emissionsschutz, Qualitätssicherung von Holzprodukten, Werkstoff- und Produktprüfungen, Recyclingverfahren sowie den Einsatz von organischen Baustoffen und Holz im Bau. Nahezu alle Verfahren und Werkstoffe, die aus der Forschungstätigkeit hervorgehen, werden industriell genutzt.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI