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Papierbasierte Schichtverbunde als Alternative zu polymerbasierten Kompositen

Stein, Philipp and Franke, Wilken and Hardt, Philipp and Groche, Peter (2017):
Papierbasierte Schichtverbunde als Alternative zu polymerbasierten Kompositen.
In: PTS Faserstoffsymposium 2017 - Faserstoffe für Papiere und Verbundwerkstoffe mit Zukunft, [Conference or Workshop Item]

Abstract

Bei der Entsorgung von polymerbasierten Schichtverbunden (Aluminium – Polymer – Aluminium) wird eine große Menge klimaschädliches CO2 freigesetzt. Um die Freisetzung von CO2 zu reduzieren, sind nachhaltige Kernwerkstoffe nötig. Eine Alternative hierfür ist Papier. Neben der Nachhaltigkeit weist Papier gegenüber herkömmlichen Polymeren wie Polyethylen eine vergleichbare Dichte sowie Zugfestigkeit auf. Ziel der Untersuchungen war es daher, Schichtverbunde mit Deckblechen aus Aluminium und Kernen aus Papier (Recycling- und Frischfaserkarton) zu fertigen und anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte zu untersuchen. Darüber hinaus wurden wirkmedienbasierte Umformversuche an mit Aluminiumfolie beschichteten Schichtverbunden durchgeführt. Hierbei zielten die Untersuchungen auf die Entwicklung geeigneter Prozessstrategien für eine fehlerfreie Bauteilumformung ab. Für die Ermittlung der Verbundfestigkeit wurden Scherzugversuche mit drei verschiedenen Klebstoffen durchgeführt. Mit 800 kN/m² wies der verwendete Ein-Komponentenklebstoff im ausgehärteten Zustand (nach 48 h) die höchste Scherfestigkeit auf. Im nicht-ausgehärteten Zustand (nach 10 min.) wies der verwendete Dispersionsklebstoff die höchste Scherfestigkeit auf. Die erreichbaren Werte lagen jedoch um den Faktor 8 niedriger als im ausgehärteten Zustand. Das Papier und die Schichtverbunde in unterschiedlichen Aushärtezuständen und Feuchtegehalten wurden zudem in Tiefungsversuchen charakterisiert. Hierbei zeigte sich, dass der Klebstoff und die Aluminiumfolie das anisotrope Werkstoffverhalten im ausgehärteten Zustand nicht beeinflussen. Im Fall der Charakterisierung mit auf 15 befeuchteten Papier und einer 100 µm Aluminiumfolie hingegen konnte der Unterschied in der Dehnungsverteilung zwischen MD und CD von einem Verhältnis von 1 : 5,14 (Frischfaserpapier bei Raumfeuchte) auf ein Verhältnis von 1 : 1,07 reduziert werden. Entsprechend kann festgehalten werden, dass eine Umformung mit befeuchtetem Papier und Aluminiumfolie vorteilhaft hinsichtlich der Formhaltigkeit ist. Für die Untersuchung des Biegeverhaltens wurden Schichtverbunde gefertigt, deren Papierkerndicken in guter Näherung der Polymerkerndicke eines handelsüblichen Schichtverbundes entsprach. Mit einer durchschnittlichen, maximalen Biegesteifigkeit von 275,31 kNmm² für den Verbund mit recyceltem Papier und 149,50 kNmm² für den Frischfaserverbund weisen beide Verbunde eine deutlich geringere Biegesteifigkeit als die untersuchten, industriell gefertigten polymerbasierten Verbunde (442,15 kNmm²) auf. Im Vergleich zu monolithischen Materialien wie Stahl ist die Biegesteifigkeit bezogen auf das Gewicht dennoch um den Faktor 3 höher. Es kann daher festgehalten werden, dass papierbasierte Schichtverbunde hinsichtlich biegesteifer Strukturen, wie sie im Fassadenbau verlangt werden, deutliche Vorteile gegenüber monolithischen Blechen aufweisen und gleichzeitig eine nachhaltige Alternative zu polymerbasierten Verbunden darstellen. Durch ihren mehrlagigen Aufbau und die eingeschlossenen Luftkammern, weisen papierbasierte Verbunde gegenüber monolithischen Blechen eine bessere thermische Isolationswirkung auf.

Item Type: Conference or Workshop Item
Erschienen: 2017
Creators: Stein, Philipp and Franke, Wilken and Hardt, Philipp and Groche, Peter
Title: Papierbasierte Schichtverbunde als Alternative zu polymerbasierten Kompositen
Language: German
Abstract:

Bei der Entsorgung von polymerbasierten Schichtverbunden (Aluminium – Polymer – Aluminium) wird eine große Menge klimaschädliches CO2 freigesetzt. Um die Freisetzung von CO2 zu reduzieren, sind nachhaltige Kernwerkstoffe nötig. Eine Alternative hierfür ist Papier. Neben der Nachhaltigkeit weist Papier gegenüber herkömmlichen Polymeren wie Polyethylen eine vergleichbare Dichte sowie Zugfestigkeit auf. Ziel der Untersuchungen war es daher, Schichtverbunde mit Deckblechen aus Aluminium und Kernen aus Papier (Recycling- und Frischfaserkarton) zu fertigen und anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte zu untersuchen. Darüber hinaus wurden wirkmedienbasierte Umformversuche an mit Aluminiumfolie beschichteten Schichtverbunden durchgeführt. Hierbei zielten die Untersuchungen auf die Entwicklung geeigneter Prozessstrategien für eine fehlerfreie Bauteilumformung ab. Für die Ermittlung der Verbundfestigkeit wurden Scherzugversuche mit drei verschiedenen Klebstoffen durchgeführt. Mit 800 kN/m² wies der verwendete Ein-Komponentenklebstoff im ausgehärteten Zustand (nach 48 h) die höchste Scherfestigkeit auf. Im nicht-ausgehärteten Zustand (nach 10 min.) wies der verwendete Dispersionsklebstoff die höchste Scherfestigkeit auf. Die erreichbaren Werte lagen jedoch um den Faktor 8 niedriger als im ausgehärteten Zustand. Das Papier und die Schichtverbunde in unterschiedlichen Aushärtezuständen und Feuchtegehalten wurden zudem in Tiefungsversuchen charakterisiert. Hierbei zeigte sich, dass der Klebstoff und die Aluminiumfolie das anisotrope Werkstoffverhalten im ausgehärteten Zustand nicht beeinflussen. Im Fall der Charakterisierung mit auf 15 befeuchteten Papier und einer 100 µm Aluminiumfolie hingegen konnte der Unterschied in der Dehnungsverteilung zwischen MD und CD von einem Verhältnis von 1 : 5,14 (Frischfaserpapier bei Raumfeuchte) auf ein Verhältnis von 1 : 1,07 reduziert werden. Entsprechend kann festgehalten werden, dass eine Umformung mit befeuchtetem Papier und Aluminiumfolie vorteilhaft hinsichtlich der Formhaltigkeit ist. Für die Untersuchung des Biegeverhaltens wurden Schichtverbunde gefertigt, deren Papierkerndicken in guter Näherung der Polymerkerndicke eines handelsüblichen Schichtverbundes entsprach. Mit einer durchschnittlichen, maximalen Biegesteifigkeit von 275,31 kNmm² für den Verbund mit recyceltem Papier und 149,50 kNmm² für den Frischfaserverbund weisen beide Verbunde eine deutlich geringere Biegesteifigkeit als die untersuchten, industriell gefertigten polymerbasierten Verbunde (442,15 kNmm²) auf. Im Vergleich zu monolithischen Materialien wie Stahl ist die Biegesteifigkeit bezogen auf das Gewicht dennoch um den Faktor 3 höher. Es kann daher festgehalten werden, dass papierbasierte Schichtverbunde hinsichtlich biegesteifer Strukturen, wie sie im Fassadenbau verlangt werden, deutliche Vorteile gegenüber monolithischen Blechen aufweisen und gleichzeitig eine nachhaltige Alternative zu polymerbasierten Verbunden darstellen. Durch ihren mehrlagigen Aufbau und die eingeschlossenen Luftkammern, weisen papierbasierte Verbunde gegenüber monolithischen Blechen eine bessere thermische Isolationswirkung auf.

Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU)
Event Title: PTS Faserstoffsymposium 2017 - Faserstoffe für Papiere und Verbundwerkstoffe mit Zukunft
Date Deposited: 23 Oct 2018 10:50
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