Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPBioFKVSchiff - Steigerung der Witterungsbeständigkeit biobasierter Faserkunststoffverbunde für den Einsatz im Schiffbau
Angesichts des globalen Temperaturanstieges muss die Schifffahrt, die derzeit etwa 2,89 % (Stand 2018) der anthropogenen Emissionen weltweit ausmacht, Mittel für einen CO2-reduzierten Produktionsprozess und Betrieb finden. Der materielle Leichtbau mit Faserkunststoffverbunden (FKV) birgt großes Potenzial, um die Antriebsleistung, den Treibstoffverbrauch und die Treibhausgas-Emissionen von Schiffen zu verringern. Der Herstellungsprozess konventioneller Fasern und Kunststoffe ist allerdings mit einem hohen CO2-Ausstoß verbunden. FKV auf Basis nachwachsender Rohstoffe, sogenannte Bio-FKV, besitzen ein niedrigeres Treibhausgas-Potenzial, da die Ausgangsmaterialien beim Wachstum CO2 binden. Biobasierte Verbundwerkstoffe sind somit vielversprechende Alternativen, deren Einsatz dazu beitragen kann, die globale Schifffahrt langfristig nachhaltig zu gestalten.
Herausforderung
Für den Einsatz von FKV-Bauteilen in maritimen Anwendungen stellt eine gute Witterungsbeständigkeit gegen UV-Strahlung und Feuchtigkeit eine Hauptanforderung dar. Während konventionelle FKV aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit auch gegenüber Stählen im Vorteil sind, stoßen Bio-FKV im maritimen Außenbereich aber ihre Grenzen. Problematisch ist insbesondere die hohe Feuchtigkeitsaufnahme der hydrophilen Pflanzenfasern sowie der photochemische Abbau der Biopolymere. Die harschen maritimen Bedingungen schwächen die Verbundstruktur und beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit des Verbundes. Derzeit fehlt es am nötigen Know-how bei der materialgerechten Herstellung sowie an verlässlichen Erfahrungswerten beim langfristigen Einsatz der Bio-FKV unter Berücksichtigung von Schädigungen und Imperfektionen, was den Einsatz von Bio-FKV im Schiffbau hemmt.
Zielstellung und Lösungsweg
Ziel des Forschungsvorhabens »BioFKVSchiff« ist es biobasierte FKV zu entwickeln, die durch eine optimierte Fertigung und Beschichtung ein Eigenschaftsprofil besitzen, dass den Langzeiteinsatz im maritimen Sektor ermöglicht. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf flachsfaserverstärkte Bio-Epoxidharze, da ihr gutes Eigenschaftsprofil und die hohe Verfügbarkeit am Markt einen schnellen und dauerhaften Transfer der Werkstoffe in die maritime Branche ermöglichen. Durch eine materialspezifische Herstellung und Beschichtung werden die Ausgangseigenschaften der Bio-FKV verbessert und gleichzeitig die Langzeitbeständigkeit optimiert. Um realitätsnahe Einsatzbedingungen zu simulieren, wird ein Teil der Probekörper zunächst künstlich mit Schadstellen versehen. Anschließend werden die Probekörper einer natürlichen Feldauslagerung und einer künstlichen Laborbewitterung unterzogen. Dabei werden in regelmäßigen Abständen Proben entnommen, um den Degradationsprozess während der Bewitterung bewerten zu können.
Nutzen
Auf Basis der Versuchsergebnisse wird eine Methodik abgeleitet, welche die Dauer der Laborbewitterung über einen Proportionalitätsfaktor mit der Expositionszeit einer Freibewitterung in Relation stellt. Durch die Methodik soll die natürliche Alterung von Bio-FKV durch eine beschleunigte Laborbewitterung realitätsnah abgebildet werden können. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens werden in eine Anwenderrichtlinie gesammelt, welche die Lagerung, Vorbehandlung und Verarbeitung von Naturfaser-Halbzeugen und Bio-Polymeren regelt und die Fertigung und Prüfung langzeitbeständiger Bio-FKV für schiffbauliche Anwendungen ermöglicht. Gleichzeitig trägt die Anwenderrichtlinie dazu bei, das Vertrauen in die Bio-FKV zu stärken und ermöglicht es KMU wie Faserverbundherstellern und Zulieferern, nachhaltigere Produkte anzubieten und so neue Geschäftsfelder zu erschließen.