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Die Entwicklung neuer Materialien und neuer Werkstoffe wird heute international als Schlüsseltechnologie mit Querschnittscharakter und Schrittmacherfunktion für viele industrielle Bereiche eingestuft. Die Wirtschaftskraft der hoch entwickelten Industriegesellschaften hängt zunehmend von Erfolgen in der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnologie ab. Die Forschungsaktivitäten in der Profillinie 1 sind gekennzeichnet durch Interdisziplinarität und Vernetzung von Forschungsvorhaben. Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus die zusätzliche Verzahnung mit der Profillinie 6 der TU Chemnitz “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen“, um die Material- und Werkstoffforschung durch den intelligenten Einsatz leistungsstarker Rechentechnik weniger kostenintensiv gestalten zu können.

In der vorliegenden Arbeit wurden Nadelvliesstoffe untersucht, die durch spezielle Nadelverfahren wie Velourisieren bzw. verbindendes Vernadeln eine dreidimensionale Struktur erhielten. Die vertikale Ausrichtung von Fasern in einer gleichmäßigen, parallelen Faserpolschicht an der Oberfläche, was durch das velourisierende Vernadeln erreicht wird, bedingt die Vergrößerung der wirksamen Faseroberfläche sowie des spezifischen Hohlraumvolumens. Ebenso vergrößert sich die wirksame Faseroberfläche und das spezifische Hohlraumvolumen durch das verbindende Vernadeln zweier Vliesstoffe, wobei Faserbüschel die beiden Vliesstoffe auf definiertem Abstand halten. Ausgegangen wurde von mathematischen Beziehungen zur Widerhakengeometrie der Filznadeln, Anzahl der transportierten Fasern im Widerhaken, Vernadelungsparametern und die damit verbundene Vergrößerung von Faserpolschicht und Hohlraumvolumen der Vliesstoffe. Über eine Versuchsreihe mit Variation bestimmter Eingangsgrößen, anschließender Regressionsanalyse und Schaffung eines semantischen Modells konnte der Einfluss auf bestimmte textilphysikalische Eigenschaften der Vliesstoffe nachgewiesen werden. Unter Einbeziehung der Ergebnisse aus Analyse und Modellbildung erfolgte eine Anpassung und der Nachweis der theoretisch ermittelten Beziehungen. Mit Hilfe der gefundenen Ergebnisse ist es möglich, bei Vorgabe definierter Einflussgrößen Voraussagen auf bestimmte Zielgrößen zu treffen und Rückschlüsse auf Größe der wirksamen Faseroberfläche und das spezifische Hohlraumvolumen von dreidimensionalen Vliesstoffen zu ziehen. Das gewährleistet eine wesentliche Kosten- und Zeiteinsparung innerhalb des industriellen Herstellungsprozesses von mittels Nadelns velourisierten und verbundenen Vliesstoffen. Needle-punched nonwovens produced by special needle-punching technologies like velourising and needling of two nonwoven layers with defined space to get a three-dimensional structure were investigated. The vertical orientation of the fibres in an uniform parallel fibre pile layer provided by the velourised needle-punching process causes an increase of the effective fibre pile surface and the hollow space. Also, the effective fibre pile surface and the hollow space are increased by needle-punching two nonwoven layers with defined space; fibre-bundles keep the two nonwoven layers at defined distance. Mathematical coherences of the geometry of barbs, number of fibres transported by the barbs, needle-punching parameters and the resulting increase of fibre pile surface and hollow space of the nonwovens formed the basis for all carried out investigations. By a number of tests varying in special input parameters, followed by a regression analysis and the creation of a semantic model. The influence of these parameters on the textile-physical properties could be proved. An adaptation and verification of the mathematical formulas was carried out by using the results of the analysis and the modelling. The found results allow to predict the influence of special input parameters on several output parameters and to get conclusions on the size of the effective fibre pile surface and the specific hollow space of three-dimensional nonwovens. This guarantees an essential reduction of costs and time in the industrial production process of needle-punched velourised and spacer nonwovens.

In this work the possibility for using natural fiber-reinforced thermoplastics in highly loaded large surface structural elements is demonstrated. A production process to fabricate an inexpensive semi-finished material made of polypropylene and unidirectionally orientated natural fibers was developed. The feasibility of the process was proven for different fiber contents. In further examinations optimal parameters for processing the semi-finished material to produce composites by press forming were examined. With these optimal parameters composites have been fabricated that were tested for their static and dynamic properties. On the basis of the characteristic values of these examinations the field of application for natural fiber reinforced thermoplastics in use of large surface structural elements could be shown. As an example for such an element a rotor blade of a wind turbine with a length of 3,75 m was created. For a prediction of the behaviour of the loaded rotor blade the following load cases were simulated by means of the FEM: - 50-year gust, with a wind velocity of 50 m/s and standing rotor - Nominal load, with a wind velocity of 11 m/s and turning rotor. For an evaluation of the composite behaviour the Tsai Wu criterion was used, because of its capability to determine the failure condition under multi-axle stress. With these simulations it could be shown that it is theoretically possible to use natural fiber-reinforced thermoplastics as material for large surface structural elements. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit für die Verwendung von naturfaserverstärkten Thermoplasten in hochbelasteten großflächigen Strukturbauteilen aufgezeigt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches die preiswerte Herstellung eines Halbzeuges aus Polypropylen und unidirektional ausgerichteten Naturfasern ermöglicht. Die Realisierbarkeit dieses Verfahrens konnte für verschiedene Naturfasergehalte nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen wurden die optimalen Verarbeitungsparameter für die Herstellung von Faserverbunden aus diesem Halbzeug mittels der Presstechnik ermittelt. Mit diesen optimalen Parametern wurden Verbunde hergestellt und auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften geprüft. Auf Grundlage der in diesen Prüfungen ermittelten Kennwerte konnte die Einsatzmöglichkeit dieser naturfaserverstärkten Thermoplaste für ein großflächiges Strukturbauteil gezeigt werden. Als Beispiel für ein solches Bauteil wurde ein 3,75 m langes Rotorblatt einer Windkraftanlage entworfen. Um eine Aussage über das Verhalten des Rotorblattes unter Belastung treffen zu können, wurden folgende Lastfälle mit Hilfe der FEM simuliert: - 50-Jahres-Böe, mit Windgeschwindigkeit von 50 m/s und stehendem Rotor - Nennlast, mit Windgeschwindigkeit von 11 m/s und drehendem Rotor Für die Bewertung des Verbundverhaltens wurde das Tsai-Wu-Ausfallkriterium herangezogen, da es eine Aussage über das Bruchverhalten von Faserverbunden unter mehrachsiger Belastung erlaubt. Die Auswertung dieser Simulationen ergab, dass es theoretisch möglich ist, naturfaserverstärkte Thermoplaste als Werkstoff in großflächigen Strukturbauteilen einzusetzen.

Fibre reinforced plastics (FRP) are increasingly employed in structural parts of the automotive, aviation and aerospace as well as railway industries. For those applications a heavily loaded, as well as crash and safety relevant force translation component is developed. This Hybrid-Insert consists of SMC and a metal insert, and is based on modular assembly through standard elements. The galvanic insulation of the metal insert by the SMC provides an excellent corrosion protection. The couplingstrength of the metal insert moulded into the SMC fulfills the tensile requirements of a M10 10.9 screw fit by VDI 2230 standards. Additionally the component provides a high degree of energy absorption and a gradual failure process. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden zunehmend in Strukturbauteilen der Automobil-,der Luft- und Raumfahrt- sowie der Schienenfahrzeugindustrie eingesetzt. Für diese Anwendungen wird ein hochbelastetes sowie crash- und sicherheitsrelevantes Krafteinleitungselement entwickelt. Dieses Hybrid-Insert, bestehend aus SMC und einem Metalleinsatz, ist modular aus Standardkomponenten aufgebaut. Die galvanische Isolation des Metalleinsatzes durch das SMC bietet für diesen einen hervorragenden Korrosionsschutz. Die Verankerungsfestigkeit des Metalleinsatzes im SMC genügt den Anforderungen einer M10 10.9 Verschraubung nach VDI 2230. Zusätzlich zeichnet sich das Krafteinleitungselement durch eine hohe Energieabsorption und ein gutmütiges Versagen aus.

In the available work the usability of pile fibre stitch-bonded nonwovens was examined as depth filter medium. Different pile fibre stitch-bonded nonwovens were manufactured and tested based on the structure of textile depth filter media and stitch-bonding process expertise. Experimental work involved technological investigations about characteristics of pile fibre stitch-bonded nonwovens 'Kunit' regarding fibre material and machine related parameters. The qualitative influence of the density gradient between flow-in and flow-out side was further investigated. Hydrodynamic application of webs by means of high-energy water jets and laminating of fine fiber spun-bonded nonwovens (Meltblown) were described as suitable processes for one-sided compression of pile fibre stitch-bonded nonwovens. The compressed samples are called 'Hycoknit' and 'Melaknit'. Manufactured pile fibre stitch-bonded nonwovens were evaluated based on textile-physical and particle-related tests. In the analyses results were compared with commercial depth filter media of filter classes F5 to F8. Therefore, the new pile fibre stitch-bonded nonwovens possess high dust storage capacities. Initial separation efficiency is comparable with standard filter media values of filter classes F5/F6. Separation efficiency vastly increases and reaches the level of fine dust filter media of filter classes F7/F8 at the end of testing. Depending on manufacturing parameters, pressure difference and separation efficiency are in a wide range producible. Thereby, economically meaningful and environmentally friendly multiple use of filter media becomes possible. Due to various characteristics, the new materials can be used, apart from filter media, for insulation, protection, upholstery as well as hygienic and medical purposes. In der vorliegenden Arbeit wurde die Einsetzbarkeit von Polfaser-Vlieswirkstoffen als Tiefenfiltermedium untersucht. Basierend auf dem Aufbau textiler Tiefenfiltermedien und den Kenntnissen zur Nähwirktechnik wurden unterschiedliche Polfaser-Vlieswirkstoffe gefertigt und getestet. Die experimentellen Arbeiten umfassten technologische Untersuchungen zu erzielbaren Eigenschaften von Polfaser-Vlieswirkstoffen Kunit in Abhängigkeit vom Faserstoff und maschinen-technischen Parametern. Ein weiterer Schwerpunkt war die zielgerichtete Beeinflussung des Dichtegradienten zwischen An- und Ausströmseite. Beschrieben wurden als geeignete Verfahren zur einseitigen Verdichtung von Polfaser-Vlieswirkstoffen das hydrodynamische Aufbringen von Vliesen mittels energiereicher Wasserstrahlen und das Auflaminieren von Feinfaser-Spinnvliesstoff (Meltblown). Die verdichteten Varianten werden mit Hycoknit und Melaknit bezeichnet. Bewertet wurden die gefertigten Polfaser-Vlieswirkstoffe auf Basis textil-physikalischer und partikelbezogener Prüfungen. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte im Vergleich zu handelsüblichen Tiefenfiltermedien der Filterklassen F5 bis F8. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuen Polfaser-Vlieswirkstoffe hohe Staubspeicherkapazitäten besitzen. Der Anfangsabscheidegrad ist vergleichbar mit den Werten von Standardfiltermedien der Filterklassen F5/F6. Bereits nach kurzer Bestaubungszeit steigt der Abscheidegrad steil an und befindet sich am Ende der Prüfungen auf dem Niveau von Feinstaubfiltermedien der Filterklassen F7/F8. In Abhängigkeit von den Fertigungsparametern sind sowohl der Druckdifferenzverlauf als auch der Abscheidegrad in einem breiten Bereich einstellbar. Im Filtermedium angesammelte Partikel sind durch Druckluftimpulse im beträchtlichen Umfang entfernbar. Eine ökonomisch sinnvolle und umweltbewusste Mehrfachnutzung der Filtermedien wird damit möglich. Anwendbar sind die neuartigen Materialien auf Grund des möglichen breiten Eigenschaftsspektrums neben dem Einsatz als Filtermedium unter anderem für Isolationszwecke, im Schutzbereich, zur Polsterung sowie in der Hygiene und Medizin.

Die Zielstellung dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur Charakterisierung sowohl der Ausgangsmaterialien (Naturfasern, Polymere) als auch ihrer Verbundeigenschaften zu leisten. Morphologische Unterschiede der Fasern, im wesentlichen bedingt durch Erntezeitpunkt, Röstdauer und Verarbeitungsbedingungen, haben Einfluss auf die mechanischen Kennwerte als auch auf das Faser/Matrix-Interface des Verbundwerkstoffs. Durch unterschiedliche Verfahren (Thermoanalyse, Ubbelohde-Viskosimetrie, NMR-Spektroskopie, Einzelfaserzugversuch) werden sowohl das Degradationsverhalten als auch die Prozessgrenzen bestimmt. Zur Einschätzung des Grenzflächenzustands werden oberflächensensitive Verfahren (BET-Verfahren, Zeta-Potentialbestimmung, IR-Spektroskopie, Rasterelektronen-mikroskopie) angewendet. Die Charakterisierung der durch Compoundieren und Spritzgießen, bzw. durch Konsolidieren von Hybridvliesen hergestellten Verbunde erfolgt mittels quasi-statischer bzw. dynamisch-mechanischer Methoden (DMA). Fraktographische rasterelektronenmikroskopische und IR-spektroskopische Untersuchungen belegen die Veränderung des Interfaces durch geeignete Faserbehandlung, Prozessparameter und Haftvermittlung. Die vorliegende Arbeit weist die effektive Verstärkungswirkung der Naturfasern Flachs bzw. Hanf in hochpolymeren Matrices zuverlässig nach. The objectives of this dissertation are the characterization of the components (natural fibers, polymers) and the resulting properties of the composites. Due to differences in fiber morphology, mainly caused by the date of harvest, retting and fiber separation procedures, the mechanical properties and the fiber/matrix interface are effected. The degradation and the limits of the process are characterized by means of thermal analysis, Ubbelohde viscosimetry, NMR spectroscopy and single fiber tensile test. Surface sensitive methods (BET measurements, zeta potential measurements, IR-spectroscopy) were applied to evaluate the fiber/matrix interface. The composites were first manufactured by compounding and injection molding as well as by consolidation of hybrid nonwovens and characterized by means of quasi statical and dynamic-mechanical methods. The effect of adequate fiber treatements, process parameters and coupling agents becomes obvious applying fractographic SEM and IR spectroscopic measurements. The gained results indicate the strengthening effect of natural fibers like flax and hemp on the performance of high polymers.