Böcker i Forschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen-serien

Im Forschungsprojekt wurden zwei verschiedene PLA-Typen - reines PLLA und reines PDLA mit jeweils Schmelztemperaturen von 180 °C - mittels Compoundierung im Technikumsmaßstab geblendet, um die PLA-Stereokomplexstruktur (scPLA) zu generieren. Dabei wurde mit einer innovativen Prozessführung das scPLA-Blend während der Extrusion mit einem Massedurchsatz vom 2 kg/h in Pulverform ausgefällt. Die Stereokomplex-Struktur konnte zu 100 % generiert und der Schmelzbereich im Thermogramm komplett um 55 °C auf 235 °C erhöht werden. Zwar konnte das scPLA-Blend zu einem Garn weiterverarbeitet werden, jedoch liegt die Festigkeit dieses Garns mit ca. 23 cN/tex weit unterhalb der Festigkeiten von PLA-Garnen, die derzeit auf dem Markt verfügbar sind. Die Begründung für das Nicht-Erreichen der angestrebten, hohen Festigkeit ist ein Entmischen das scPLA-Blends während der Extrusion. Eine Modifikation der klassischen Schmelzspinnanlage (u. a. Mischtorpedo und statische Mischer in der Schmelzeleitung) ist notwendig, um die Stereokomplex-Kristallstruktur während der Extrusion und beim Ausspinnen aufrechtzuerhalten bzw. weiter auszuprägen und damit die höhere Festigkeit generieren zu können. Dieser neu aufgetretene Entwicklungsaufwand sowie die Anlagenmodifikation konnten nicht im Rahmen des Forschungsprojektes realisiert werden. Mit auf dem Markt verfügbaren PLA-Materialien wurden Bikofasern mit einer Mantel-Kern-Struktur entwickelt. Dabei wurde ein teilkristallines PLA in den Kern und ein amorphes PLA in den Mantel geführt. Aus den Bikofasern wurden Single-Polymer-Faserverbundwerkstoffe und endlosfaserverstärkte Monofilamente für den 3D-Druck hergestellt. Dabei generiert der teilkristalline Kern die Festigkeit und mit dem amorphen Mantel kann die Form vorgegeben werden. Ebenso wurde die biologische Abbaubarkeit der verschiedenen PLA-Materialien in Faserform untersucht.

Im Projekt wurde die Probenvorbereitung für verschiedenste Materialien durch Erarbeitung optimierter Probenvorbereitungsmethoden vereinheitlicht. Die Herangehensweise unter-scheidet sich in der Methodenentwicklung zwischen faserförmigen und nicht faserförmigen Partikeln. Zur Bearbeitung der Problemstellung wurde ein ganzheitlicher Lösungsansatz in Form aufeinander abgestimmter Teilprojekte gewählt. Hintergrund dafür ist insbesondere die selbstständige Untersuchung der unterschiedlichen Partikelarten und die anschließende Kreuzvalidierung der Ergebnisse beider Partner.Im Arbeitspaket 1 wurden Proben und Problemlösungen zu ungelösten Fragestellungen bzgl. der Probenvorbereitung und Auswertung faserförmiger Partikel zusammengetragen. Die Probensammlung hat mit Ende des einen großen Umfang erreicht. Die Projektpartner blieben allerdings weiter offen für von außen an sie herangetragene weitere Fragestellungen.Die Arbeiten zum Clustering der Anforderungsfälle (AP 2) wurden planmäßig Anfang 2021 begonnen. Zum Zweck des institutsübergreifenden Austauschs fanden zwei Projektworkshops im Juni 2021 sowie im Mai 2022 statt. Das AP wurde planmäßig abgeschlossen.Die Entwicklung der vereinheitlichten Vorschriften (AP3) folgt streng dem Schema, das sich aus dem Clustering ergibt. Nach Zuordnung einer Probe zu einer Materialgruppe müssen in dieser Reihenfolge die Fragen nach Homogenität und erforderlicher Probenmenge in einem vorgegebenen Rahmen beantwortet werden. Die sich daraus ergebende Art der Probenpräparation (direkt bzw. nach Vorpräparation) kann nun für die unterschiedlichen Fälle detailliert beschrieben werden. Darauf aufbauend wurden für die einzelnen Fallgruppen Scanparameter identifiziert, die für die jeweilige Fallgruppe wichtig sind (Vorgabe), oder überwiegend zu empfehlen sind (Empfehlung).Zum Abschluss des Projektes wurde das Referenzhandbuch fertiggestellt. Es ist seit Ende März 2023 bei BoD sowie über den regulären Buchhandel unter der ISBN 978-3-74317-283-8 in gedruckter Form erhältlich; das E-Book folgte Mitte April 2023 unter der ISBN 978-3-75786-870-3. Die Bearbeitung des Vorhabens entspricht den in den Arbeitspaketen geplanten Arbeitsaufgaben. Alle AP wurden planmäßig abgeschlossen.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von flüssigkeitsgefüllten Hohlfasern (LCF) zur Herstellung von Garnen für Funktionstextilien mit stoßdämpfenden Eigenschaften. DasGrundprinzip des Dämpfungseffektes ist bionisch inspiriert und basiert auf den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der Pampelmusenschale, welche aus einer offenporigen schaumartigen Zellstruktur besteht, die aus hohlen miteinander verbundenen flüssigkeitsgefüllten Stegen gebildet wird. Zur Entwicklung der Hohlfasern wurden Pampelmusenschalen mittels Lichtmikroskopie analysiert und die Erkenntnisse auf gefüllteHohlfasern übertragen.Nach der bionischen Übertragung fand die Prozessentwicklung zur Herstellung von flüssigkeitsgefüllten Hohlfasern statt. Dies beinhaltete die Entwicklung eines Flüssigkeitsdosiersystems für die Integration der flüssigen Kernkomponente. Das Polymer fürden Fasermantel wurde mittels Doppelschneckenextruder einer Bikoschmelzspinnanlage gefördert. Ein besonderer Fokus bei der Entwicklung der flüssigkeitsgefüllten Hohlfasern lag auf der Konstruktion der Spinndüse. Hierzu wurden Spinndüsenkonzepte aus anderen Forschungsvorhaben und die daraus resultierenden Erfahrungen genutzt, um eine neue Spinndüsenkonstruktion zu entwickeln. Als Mantelpolymere wurde nach einem Screeningeine PP-Type und eine PE-Type als Polymere für den Fasermantel und raffiniertes Sojaöl als Kernkomponente ausgewählt. Neben den ölgefüllten Hohlfasern wurden noch zusätzlich ungefüllte Hohlfasern sowie Vollfasern aus den Mantelpolymeren hergestellt. Zum Verschließen der Faserenden wurde ein Prozess entwickelt, bei dem Faserbündel mit heißen Schneidwerkzeugen verschlossen und geschnitten wurden. Die hergestellten Fasern wurden Textilien weiterverarbeitet. Die Fasern wurden mittels Lichtmikroskopie analysiert und deren Spannungs-Dehnungsverhalten im Zugversuch untersucht. Zur Analyse derDämpfungseigenschaften wurde ein spezieller Prüfstand entwickelt und die Textilien hinsichtlich ihrer Dämpfungseigenschaften geprüft. Die gefüllten Hohlfasern zeigten dabei tendenziell bessere Dämpfungseigenschaften als die Vergleichsfasern. Im Anschluss erfolgte die Übertragung, wobei die Textilien in Form von Demonstratoren repräsentativ für zwei Produktkategorien (Handschuhe und Protektoren) angewendet wurden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung feintitriger Garne aus Hochleistungsthermoplasten mit produktspezifischem mechanischem und thermomechanischem Verhalten und der Nachweis deren Verarbeitung in der textilen Produktionskette. Bei den Garneigenschaften stand insbesondere die Faserfestigkeit, mit einem Zielwert > 50 cN/tex und der variabel einstellbare Faserschrumpf im Vordergrund, um verschiedenste Anwendungsfelder bedienen zu können.Nach der Festlegung auf den Hochleistungsthermoplasten PEEK wurden zunächst Referenzgarne aus kommerziellen PEEK-Typen hergestellt und im Anschluss über den Prozess des Blendens mit hochmolekularen PEEK-Typen das Materialverhalten der Ausgangpolymere angepasst und dessen Einfluss auf das Spinnverhalten und die resultierenden Fasereigenschaften bewertet. Dabei stellte sich heraus, dass alle Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften erfüllt werden konnten, jedoch der positive Einfluss auf den thermomechanischen Schrumpf nicht gegeben war, wodurch die variable Schrumpfeinstellung nicht gegeben war.Die entwickelten Garne zeigten dennoch das Potential als Stick-, Näh- oder Wirkfaden eingesetzt werden zu können und in der Herstellung auf einen industriellen Maßstab skalierbar zu sein.Somit wurde das Ziel des Forschungsvorhabens teilweise erreicht.

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung der Lastaufnahme von Faserverbund-Sandwichstrukturen durch Integration textiler Preformingverfahren in den Fertigungsprozess. Im Forschungsvorhaben wurde demonstriert, dass die mechanischen Eigenschaften von Faserverbund-Sandwichstrukturen in Lasteinleitungsbereichen mit Fügeelementen, wie gewindefurchende Schrauben, durch lokale, lastgerechte Endlosfaserverstärkungen verbessert und dass die Belastbarkeit von Sandwichstrukturen in Dickenrichtung durch Vernähen erhöht sowie die Neigung zur Delamination gleichzeitig reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wurden Endlosfasern entlang vorgesehener Lasteinleitungsbereiche mithilfe des TFP-Verfahrens direkt auf den Decklagen abgelegt und die textilen Decklagen mit dem Schaumkern vernäht. Im Anschluss wurde der Aufbau im Vakuuminfusionsverfahren mit einem duroplastischen Matrixsystem durchtränkt und ausgehärtet. Der Einfluss der gewählten Parameter sowie der eingesetzten Materialien auf den textilen Preformingschritt und das Infusionsverhalten wurden analysiert. Die Eigenschaften der Sandwichbauteile wurden im Rahmen von mechanischen und optischen Laboruntersuchungen ermittelt sowie mit Referenzmaterialen verglichen.