Zerknüllt und gepresst – neue Materialien aus Müll

Das Zerknüllen und Pressen von Vorläufermaterialien zu dichten dreidimensionalen Geometrien bietet einen attraktiven Weg zur Nutzung von Abfallstoffen von geringerem Wert – wie etwa Altpapier. Beim Zerknautschen bildet sich ein mesostrukturiertes System, in dem starke mechanische Eigenschaften des Materials durch komplexe Querschnittsverformungsmechanismen entstehen.

In einer aktuellen Studie von Forschern aus Berlin, Mexiko und Australien untersuchten jetzt die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von stark verdichteten Strukturen, die durch die uniaxiale Kompression eines Cellulosegewebes hergestellt wurden, um solche zerknitterten Mesostrukturierungen zu erzeugen.

Insgesamt wurden 25 Proben verschiedener Dichten unter Kompression getestet. Die so geformten Proben zeigten Dichten im Bereich von 0,8-1,3 g/cm3 und hohe Festigkeits-zu-Gewicht-Charakteristiken, wodurch Druckfestigkeitswerte von bis zu 200 MPa unter sowohl quasi-statischen als auch hohen Belastungsbedingungen und Verformungsenergien erzielt wurden, vergleichbar mit technischen Materialien ähnlicher Dichte.

Die in der Studie hergestellten Materialien und ihre mechanischen Eigenschaften zeigten das Potenzial solcher durch Zerknüllung hergestellten neuartigen energieabsorbierenden Materialien aus kostengünstigen Vorstufen – wie etwa Recyclingpapier.

Die Steifigkeit und die Zähigkeit dieser Materialien weisen eine Abhängigkeit von der Dichte der Materialen auf. Dies deutet darauf hin, dass ähnliche Materialien künftig so konstruiert werden können, dass sie maßgeschneiderte Dissipationsraten in Aufprallschutz- und Vibrationsdämpfungsanwendungen vermitteln können.

Die neuen Materialien sind, was ihre Druck-Spannungs-Werte betrifft Holz, Polyethylen-Kunststoffen ja selbst Polycarbonate (der Stoff aus dem CDs sind) überlegen. Polyaramide und karbonfaserverstärkte Kunststoffe übertreffen zwar die etwa 150 bis 210 MPa Druckleistung des "Knüllmaterials", diese sind allerdings nur zu deutlich höheren Preisen zu haben.

Es ist wahrscheinlich, dass die Energieableitung, die in diesen zerknitterten Materialien beobachtet wird, durch Reibungsmechanismen entsteht, die über viele Skalen und Orientierungen innerhalb der 3-D-Struktur verteilt sind. Die mechanischen Eigenschaften, die in der vorliegenden Arbeit gefunden wurden, deuten darauf hin, dass die Knautschbildung ein gut durchführbarer und vielseitiger Ansatz zur Herstellung von kostengünstigen technischen Materialien auch aus ganz anderen Abfallmaterialien in einer breiten Palette von makroskopischen Geometrien sein könnte.

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