Methoden zur qualitativen und quantitativen Analyse der Mikrostruktur von Naturfaserwerkstoffen

Abstract

Die Bedeutung von Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Moderne, leistungsfähige Werkstoffe müssen nicht mehr ausschließlich aus synthetischen Materialien hergestellt werden. Fasern aus Holz und anderen pflanzlichen Nicht-Holz-Naturfasern bieten genügend Potential, um diese Anforderungen zu erfüllen. Für eine umfassende Beurteilung der Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften und der Struktur der Fasern in diesen Werkstoffen ist eine Charakterisierung der Mikrostruktur unerlässlich. Eine Optimierung der Eigenschaften kann nur durch das Verständnis der Struktur der Fasern und der daraus hergestellten Faserwerkstoffe gewährleistet werden. Wichtig ist hierbei insbesondere die Möglichkeit, sowohl qualitative als auch quantitative Untersuchungen durchführen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden elektronenmikroskopische und mikrotomographische Methoden zur Untersuchung der Struktur von so genannten Naturfaserwerkstoffen vorgestellt und miteinander verglichen. Verfahren der Raserelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Umweltrasterelektronenmikroskopie (ESEM) und der Mikrotomographie (µCT) wurden für die Beurteilung von Naturfaserwerkstoffproben eingesetzt. Einen Schwerpunkt der Untersuchungen bildete die Mikrotomographie von mitteldichten Faserplatten (MDF), die als Grundlage für eine eingehende dreidimensionale Bildanalyse genutzt wurde. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Faserstruktur wurde versucht, die Klebharzverteilung auf den Fasern mit Hilfe der vorgestellten Methoden qualitativ und quantitativ auszuwerten. Ergänzt werden die Arbeiten durch die Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Faserplatten und einer Simulation der Permeabilität und der Wärmeleitfähigkeit an den gewonnenen Tomographiedaten.

The concern about materials made from renewable resources has gained high importance during recent years. Nowadays, modern high-performance composites can be manufactured without using synthetic materials. Wood fibers and annual plant fibers have the potential to fulfill these requirements. A comprehensive microstructual investigation is necessary to discover and characterize the relation between the properties of the fibers and the composites regarding their structure. The investigation on the microstructure has to be based on a qualitative and quantitative analysis to facilitate an optimization of the fiber composites. This thesis is focused on electron-microscopy methods and microtomography methods to investigate the structure of natural fiber composites. Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), environmental scanning electron microscopy (ESEM) and microtomography (µCT) methods were selected. Emphasis was laid on the microtomography of medium density fiberboard (MDF) as a basis for a detailed 3D image analysis. Additional work was done to evaluate the resin distribution on the fibers qualitatively and quantitatively. Furthermore, a simulation of the board permeability and thermal conductivity on the tomographic data was performed and compared to experimental results.