Holzfaserkunststoff

WPC (englisch Wood Plastic Composites, auch Wood(-fiber)Polymer Composites; deutsch Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, Gebrauch unüblich) sind thermoplastisch verarbeitbare Verbundwerkstoffe, die aus unterschiedlichen Anteilen von Holz, Kunststoffen und Additiven bestehen, und durch thermoplastische Formgebungsverfahren, wie z. B. Extrusion, Spritzgießverfahren, Rotationsgussverfahren, mittels Presstechniken oder im Thermoformverfahren, verarbeitet werden. Ab einem Faseranteil von über 20 Prozent werden sie den Biowerkstoffen zugeordnet.

Aufbau

Typischerweise bestehen WPC in Deutschland und Mitteleuropa aus einem Holzfaser- oder -mehlanteil von 50 % bis 90 % und einer Kunststoffmatrix aus Polypropylen (PP) oder weniger häufig aus Polyethylen (PE). Auf dem nordamerikanischen Markt dominieren WPC mit einem 50-prozentigen Polyethylen-Anteil. Mischungen mit anderen Kunststoffen und Biokunststoffen sind technisch möglich, jedoch wenig verbreitet. Aufgrund der thermischen Empfindlichkeit des Holzes sind Verarbeitungstemperaturen nur von unter 200 °C möglich. Bei höheren Temperaturen kommt es zu thermischen Umwandlungen und Zersetzungen des Holzes.

Die Zugabe von Additiven optimiert spezielle Materialeigenschaften: Bindung zwischen Holz und Kunststoff, Fließfähigkeit, Brandschutz, Farbgestaltung und - besonders für Außenanwendungen - Witterungs-, UV-, und Schädlingsbeständigkeit.

Eine neue Entwicklung auf diesem Sektor ist ein Gemisch aus PVC und Holzfasern zu je 50 %. WPC auf Basis thermoplastisch verarbeitbarer Duroplaste wie z.B. modifiziertes Melaminharz, sind ebenfalls in der Entwicklung.

Eigenschaften

Vorteile des Werkstoffs gegenüber Holzwerkstoffen sind die freie, 3-dimensionale Formbarkeit des Werkstoffs und die größere Feuchteresistenz. Gegenüber Vollkunststoffen bieten WPC eine höhere Steifigkeit und einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bisherige Langzeitstudien ^[1] und Schadenfälle aus der Praxis haben gezeigt, dass WPCs wie Vollholzprodukte durch UV-Bestrahlung, Feuchte- und Temperatureinwirkung sowie Pilzbefall geschädigt werden können.

Zurzeit bestehen für WPC noch keine einheitlichen Normen. Seit Ende 2007 gibt es mit einem Qualitätssiegel für Deckingprofile aus Holz-Polymer-Werkstoffen erstmals verbindliche Qualitätskriterien für das noch junge Produkt. Das von der Qualitätsgemeinschaft Holzwerkstoffe e.V. vergebene Qualitätszeichen berücksichtigt neben bestimmten Materialeigenschaften auch die Produktherkunft: Für die eingearbeiteten Naturfasern dürfen ausschließlich Holz aus nachhaltiger Waldwirtschaft sowie frisch hergestellter Kunststoff bzw. Reststoffe einer einmaligen industriellen Produktion verwendet werden.

Herstellung

WPC wird mit in der Kunststoffproduktion gängigen Verfahren verarbeitet. Der weitaus größte Teil der WPC-Produktion erfolgt mit der Profilextrusionstechnologie. Als weitere Verfahren kommen Spritzguss, Plattenpressen und Rotationsguss zum Einsatz, sowie in der Automobilindustrie auch Vliesformgebungsverfahren.

Bei der Profilextrusion ist zu unterscheiden in Einstufen- und Zweistufenprozesse, während die anderen genannten Verfahren als Zweistufenprozesse anzusehen sind. Die erste Stufe des Zweistufenprozesses dient der Erzeugung des WPC-Grundstoffs (z.B. Granulat), der in der zweiten Stufe in die gewünschte Form gebracht wird.

Profilextrusion

Einstufige Verfahren

Beim Einstufenprozess, auch Direktextrusion genannt, werden Holzpartikel und Kunststoffgranulat räumlich getrennt, an verschiedenen Stellen eines Extruders oder am gleichem Ort zur gleichen Zeit dem Extruder zugeführt. Der Kunststoff wird im Extruder vornehmlich durch Reibungswärme geschmolzen und das Gemenge aus Holz und Kunststoff wird intensiv vermischt und durch eine Form, das Werkzeug, zu einem Profil extrudiert. Die Holzpartikel dürfen dabei eine Feuchtigkeitsobergrenze, die meist nicht über 8 % liegt, nicht überschreiten. Während des Extrusionsprozesses wird die Feuchtigkeit abgesaugt, so dass die WPC-Masse beim Verlassen des Werkzeugs Feuchtigkeiten von unter einem Prozent aufweist. In Einstufenprozessen werden meist konische, gegenläufige Doppelschneckenextruder eingesetzt, die die Aufgabe des intensiven Mischens und eines erforderlichen Druckaufbaus für das Extrudieren gleichzeitig erfüllen können. Die mengenmäßig wichtigsten Extrusionsprofile sind Terrassendielen.

Zweistufige Verfahren

Im zweistufigen Extrusionsprozess werden die Aufgaben des Mischens, gegebenenfalls auch die des Trocknens, sowie des Kompaktierens in einem Aggregat und die Aufgabe des Extrudierens durch ein Werkzeug mit einem anderen Aggregat durchgeführt. Dies kann in direkter Kopplung oder aber räumlich und zeitlich getrennt geschehen.

Zum Mischen und Kompaktieren werden gleichlaufende, parallele Doppelschneckenextruder (Compounder), Heiz-Kühl-Mischer oder Pelletierpressen sowie Mahlverfahren eingesetzt. Die damit erzeugten WPC-Zwischenprodukte können als Rohstoff für die Profilextrusion, für den Spritzguss oder die Plattenpresstechnik eingesetzt werden. Für den Rotationsguss sind nur frei fließende, kunststoffbeschichtete Holzpartikel geeignet.

• Compounder arbeiten kontinuierlich und erzeugen eine sehr homogene Mischung, können aber in der Regel nicht genügend Druck für eine Profilextrusion aufbauen. Der Druck verdichtet bereits die Holzmatrix. Die Verweilzeit im Compounder beträgt wenige Minuten. Die Mischung muss die Schmelztemperatur des Thermoplasten erreichen. Liegt diese Temperatur oberhalb von 160° C, kann ein thermischer Abbau des Holzes beginnen. Da Compounder kontinuierlich arbeiten, können entweder geometrisch weitgehend einheitliche WPC-Pellets als Zwischenprodukt erzeugt werden, oder das WPC-Compound wird in der Schmelzephase in ein Extrusionsaggregat, z.B. einen Einschneckenextruder oder eine Schmelzepumpe. Die erzeugten Pellets erlauben eine einfache und gleichmäßige Dosierung mit in der Kunststoffindustrie üblichen Dosiereinrichtungen. Extrudierte Pellets haben Feuchtigkeiten unter 1% und erleichtern auch dadurch die Weiterverarbeitung.
• Heiz-Kühl-Mischer arbeiten diskontinuierlich. Im Heizmischer werden Holz- und Kunststoffpartikel gemischt und bis zum Schmelzpunkt des Thermoplasts aufgeheizt. Die Verweilzeiten im Heizmischer liegen meist höher als im Compounder. Am Schmelzpunkt angelangt zieht der Thermoplast auf die Holzfasern auf und die WPC-Mischung wird in einen Kühlmischer überführt. Dort wird sie abgekühlt, und grobe Agglomerate werden in kleinere Stücke aufgebrochen. Das WPC-Zwischenprodukt ist ein trockenes, nicht verdichtetes Granulat mit unregelmäßiger Kornform.
• In Pelletierpressen werden Holzpartikel und Kunststoffpartikel unter Druck miteinander kompaktiert. Beim Pressen durch eine Lochmatrize wird Reibungswärme erzeugt, die , um den Kunststoffanteil anzuschmelzen. Eine homogene Vermischung wie im Compounder oder Heiz-Kühlmischer findet nicht statt, so dass die so erzeugten Pellets nicht für alle Weiterverarbeitungsprozesse uneingeschränkt geeignet sind. Die Holzmatrix wird durch den hohen Druck beim Pressen durch die Matrize verdichtet.
• Bei Mahlverfahren werden Holz- und Kunststoffanteile gleichzeitig vermahlen. Bei ausreichender Mahltemperatur ziehen die Kunststoffanteile auf die Holzpartikel auf. Je nach Mahlverfahren und Prozessführung können miteinander verklumpte oder einzelne, frei fließende Holzpartikel erzeugt werden.

Spritzguss

Beim Spritzgießen kommt es auf sehr gute Homogenität und möglichst problemfreie Dosierbarkeit des Materials an, damit alle Teile der Schmelze eine gute Fließfähigkeit aufweisen. Eingesetzt werden vornehmlich compoundierte WPC-Pellets mit im Vergleich zu Extrusionsware deutlich geringerem Holzgehalt. Diese werden in einem Plastifizieraggregat aufgeschmolzen und dann in einem diskontinuierlichen Verfahren unter hohen Drücken bis zu 2400 bar „schussweise“ in eine Metallform gespritzt, in welchem die WPC-Masse durch Abkühlen erstarrt. Auch für den Spritzguss existiert ein einstufiges Verfahren (Injection Moulding Compounder), bei dem die Compoundierung und die anschließende Spritzgussverarbeitung in einem Arbeitsschritt erfolgen.

Aufgrund der Holzpartikelgeometrie und der geringen Schlagzähigkeit müssen die Wandstärken im Spritzguss dicker ausgelegt werden als bei reinen Kunststoffgranulaten. Vorteilhaft ist jedoch die wesentlich höhere Wärmeformbeständigkeit, die der Masse auch bei höheren Temperaturen Steifigkeit verleiht. WPC-Formteile können daher bei höheren Temperaturen entformt werden.

Plattenpressen

Beim Plattenpressverfahren sind erste kontinuierlich arbeitende Pressen in der Erprobung. Das WPC-Vorprodukt wird auf ein Band zu einem Kuchen gestreut. Dieser wird ähnlich wie bei etablierten Holzwerkstoffverfahren in eine kontinuierliche Presse gefahren, dort verdichtet und aufgeheizt, so dass die WPC-Partikel angeschmolzen werden und sich zu einer Platte verbinden. Im hinteren Teil der Presse wird die Platte abgekühlt.

Rotationsguss

Im Rotationsgussverfahren werden Hohlkörper hergestellt. Dabei wird ein freifließendes Pulver dreidimensional in einer Hohlform getaumelt, während diese von außen erhitzt wird. Das Pulver sintert an der heißen Oberfläche an und bildet eine gleichmäßige Schicht, die der Innenkontur des Werkzeugs entspricht. 2005 wurde erstmals ein Sessel als WPC-Rotationsprodukt vorgestellt.

Marktentwicklung

Wood-Plastic-Composites haben seit Anfang der 1990er Jahre eine rasante Entwicklung erfahren, die in den USA ihren Anfang nahm und mittlerweile alle bevölkerten Kontinente erreicht hat^[2]. Obwohl im WPC-Bereich die USA führend sind und für sich in Anspruch nehmen, dass die Entwicklung von WPC dort ihren Anfang nahm, wurden bereits Anfang der 1960-er Jahre in Deutschland und Frankreich (von Dr. Josef Lintner †, Peter O.Glienke und Wacker-Chemie) auf der Basis von PVC und Cellulose, Altpapier, Holzschliff nach den VINYPAL-Verfahren WPC entwickelt und produziert. Die Verfahren und Produkte hatten aber in dieser Zeit noch keinen Markt in Europa und wurden als "Ersatzprodukte" und nicht als neue Werkstoffe gewertet.

Das WPC-Gesamtvolumen des nordamerikanischen Marktes für 2005 wird mit 700.000 Tonnen angegeben. Die Produktionsmengen in Europa im Jahr 2007 werden auf ca. 100.000 t geschätzt. Die deutsche WPC-Produktionsmenge ist in den letzten Jahre rasant gewachsen: von 10.000 t im Jahr 2005 auf ca. 20.000 t im Jahr 2007. ^[3]

In China produzierten im Jahr 2006 mindestens 137 Hersteller 75.000 Tonnen WPC. Der jährliche Zuwachs der chinesischen Produktion wird auf 15-30 % geschätzt.^[4]

Verwendung

Wichtigster Absatzmarkt für WPC sind Deckings (Außenbodenbeläge), wo der Biowerkstoff aktuell einen Marktanteil von ca. 6 % hält - vor allem als Substitut für Tropenhölzer. In Zukunft wird ein Marktanteil von 20% für möglich gehalten. Deutlich angestiegen sind die Anwendungen in der Möbelindustrie (Möbelprofile, Fußbodenleisten), wo es unter anderem mehrere Stuhl- und Regalsysteme aus WPC gibt.

In der europäischen Automobilindustrie werden jährlich ca. 50.000 t WPC als Türinnenverkleidungen und Hutablagen (später verkleidet) eingesetzt.^[3] Thermoplastische Spritzguss-Erzeugnisse aus dem Biowerkstoff WPC sind bisher in Deutschland nur als "Nischenprodukte" zu finden.

Ein besonderer Einsatzzweck ist die Nutzung für sog. Bio-Urnen für Naturbestattungen, wobei hier eine geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit zur schnellen Zersetzung gewünscht ist. Das Material eignet sich sowohl für die einfache Aschekapsel als auch für attraktiv designte Überurnen.

Handelsnamen

Ein allgemein akzeptierter deutscher Begriff hat sich bislang nicht etablieren können. Die wörtliche Übersetzung von WPC lautet "Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe." Handelsnamen der Hersteller/Händler sind „PINUFORM“ (Fa. Pinufin / Fa. Moco), „DuroLine exclus WOOD“ (Fa. FiberConcepT) „Copywood“ (Fa. Copywood), „Flüssigholz“ (Fa. Kleine), „GroJaDeck-Wellnessdielen“ (Fa. GROEN & JANSSEN), „hightec-Holz“ (Fa. Werzalit), „Kovalex“ (Fa. Kosche), „ProFi“ (Fa. UPM), „megawood“ (Fa.NOVO-TECH.GMBH&CO.KG), „Tech-Wood“ (Tech-Wood Nederland BV), „TimberStar“ (Fa. Otto Wolff), „Relazzo“ (Fa. REHAU / Fa. Häussermann), „Arbofill“ (Fa. Tecnaro GmbH), oder Thermoplastische Faserstoffe (TPF) (Fa.PPT),"arbogran" (Fa. E&W GreenLand GmbH,Berlin)und andere.

Literatur

Der größte Teil der Informationen dieses Artikels stammt aus:

• Dominik Vogt, Michael Karus, Sven Ortmann, Christin Schmidt, Christian Gahle: Wood-Plastic-Composites (WPC), Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe - Märkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland, Technische Eigenschaften, Anwendungsgebiete, Preise – Märkte – Akteure, nova-Institut GmbH, Hürth; überarbeitete und ergänzte Auflage, Januar 2006, online PDF
• Hans Korte: Aus einem Guss. Technologien zur Herstellung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. In: HK Holz- und Kunststoffverarbeitung 4/2006, S.24-27.

Einzelnachweise

1. ↑ Stark, Nicole und Matuana, Laurent (2003): Ultraviolet weathering of photosta-bilited wood-flour-filled high-density polyethylene composites. Michigan.
2. ↑ Hans Korte: Aus einem Guss. Technologien zur Herstellung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. In: HK Holz- und Kunststoffverarbeitung 4/2006, S.24-27.
3. ↑ ^{a b} nova-Kongressbericht: WPC-Kongress wichtigster Treffpunkt der wachsenden Branche. In: www.nachwachsende-rohstoffe.info, 2008-12-07.
4. ↑ Michael Carus, Christian Gahle, Asta Eder: Wood-Plastic-Composites in China. Biowerkstoff-Report Juni/Juli 2008 (PDF), S. 8-10 ISSN 18671195

Weblinks

• http://www.wki.fraunhofer.de/
• http://www.holz.uni-goettingen.de
• http://machinedesign.com/ContentItem/58373/InjectionMoldingCompounder.aspx