Kristalline Nanozellulose (CNC) steht derzeit im Fokus der wissenschaftlichen Gemeinschaft als natürliches Verstärkungsmaterial für Polymere. Dies folgt dem gegenwärtigen Trend des Strebens nach umweltfreundlichen Technologien und erhöhter Nachhaltigkeit. Aufgrund der Kombination aus hoher Steifigkeit und geringer Dichte, weist CNC einen hohen spezifischen E-Modul von ca. 90 MPa/(kg.m³) [1]. auf. Bei der Fused Filament Fabrication (FFF) wird das Material jedoch einer Kombination aus mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Daher müssen beide Beanspruchungsarten berücksichtigt werden, um einerseits die geeigneten Druckparameter zu wählen und andererseits die finalen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs im Bauteil zu charakterisieren und vorherzusagen.

Für die Untersuchung wurde CNC in ein recyceltes 3D-druckbares Polypropylen mit Füllstoffgehalten bis zu 15 Vol.-% eingebracht. Da Wechselwirkungen zwischen der Zellulose und der Polymermatrix für die Maximierung der Verstärkungswirkung der CNC entscheidend sind [2], wurde CNC mithilfe eines Verträglichkeitsvermittler auf Maleinsäureanhydridbasis beschichtet. Zur Charakterisierung des Verbundwerkstoffes wurden scherrheologische Untersuchungen, dynamisch-mechanische Analyse (DMA) und Messungen des Schwindungsverhaltens durchgeführt. Eine unerwartete Abnahme der Viskosität mit zunehmendem Füllstoffgehalt, begleitet von einer deutlichen Farbänderung, wurde dem Abbau des Verträglichkeitsvermittlers zugeschrieben. Dies wurde durch Dynamische Differenzkalomeritrie (DSC) bestätigt. Dies in Kombination mit den Ergebnissen der DMA und der Untersuchungen des Schwindungsverhaltens schufen die Grundlage für die Wahl der geeigneten Druckparameter und für die Vorhersage der Eigenschaften des gedruckten Bauteils.

Die Untersuchungen wurden tw. innerhalb des FFG-geförderten Projekts “Natural 3D” im Projekt 860384 durchgeführt.

[1] J., Chen; N. Lin; J., Huang; A., Dufresne Polymer Chemistry, 2015, 24, 4385-4395.

[2] A., Peterson; A. Y., MehandzhiyskiM L., et al. Macromolecules, 2021, 7, 3507-3516.