Optimierung des abrasiven Verschleißes in nachhaltigen, mit MCC verstärkten Hanf‑Bambus‑Epoxid‑Verbundwerkstoffen für tribologische Anwendungen

Warum grünere, widerstandsfähigere Materialien wichtig sind

Von Autoteilen bis zu Windturbinenblättern: Viele bewegte Teile unserer Welt nutzen sich langsam ab, wenn Oberflächen aneinander reiben. Konventionelle Kunststoffe, die mit synthetischen Fasern wie Nylon oder Carbon verstärkt sind, widerstehen diesem Verschleiß, bringen aber Umweltkosten mit sich – von hohem Energieaufwand bis zu persistenten Abfällen. Diese Studie untersucht eine nachhaltigere Alternative: Verbundwerkstoffe aus Hanf‑ und Bambusfasern in einem Epoxidkunststoff, ergänzt durch einen pflanzenbasierten Füllstoff, die mikrokristalline Cellulose (MCC). Ziel ist es, umweltfreundlichere Materialien zu entwickeln, die raue Reib‑ und Kratzbelastungen aushalten, ohne zu schnell zu verschleißen.

Ein Material aus Pflanzen und Pulver aufbauen

Die Forschenden begannen mit gewebten Vliesen aus Hanf‑ und Bambusfasern, die mit einer milden Laugenbehandlung gereinigt wurden, um die Haftung zum Epoxidharz zu verbessern. Diese Gewebe wurden geschichtet und mit Epoxid imprägniert, das unterschiedliche Anteile an MCC‑Pulver enthielt – feine, biologisch abbaubare Cellulose aus Pflanzenmaterial. Indem der gesamte Faseranteil konstant gehalten und nur der MCC‑Gehalt variiert wurde, konnte der Effekt dieses biobasierten Füllstoffs isoliert werden. Die Mischung wurde zu festen Platten gepresst und ausgehärtet, wodurch hybride Platten entstanden, die strukturelle Bauteile in Bereichen wie der Automobil‑, Luftfahrt‑ und Baubranche nachahmen sollen.

Reibprüfungen, die realen Verschleiß nachahmen

Um zu prüfen, wie diese Platten Abrasion standhalten, nutzte das Team eine Pin‑on‑Disk‑Prüfmaschine: kleine Probenblöcke des Verbunds wurden gegen eine rotierende Scheibe gedrückt, die mit Schleifpapier bezogen war. Sie variierten vier Schlüsselfaktoren – MCC‑Gehalt, die Korngröße des Schleifpapiers, die auf den Block wirkende Last und die Gleitstrecke. Für jeden Versuch maßen sie den Massenverlust der Probe, die erzeugte Reibung und die Rauheit der verschlissenen Oberfläche. Anstatt einen Faktor nach dem anderen zu verändern, verwendeten sie eine statistische Strategie namens Box–Behnken‑Response‑Surface‑Methodik, die es erlaubt, zu kartieren, wie alle vier Faktoren und deren Wechselwirkungen gemeinsam die Leistung beeinflussen und dabei die Anzahl der Experimente zu minimieren.

Was Verschleiß, Reibung und Glätte wirklich steuert

Die Analyse zeigte, dass nicht alle Parameter gleich wichtig sind. Die Schärfe des Schleifpapiers und die gesamte Gleitstrecke waren die Haupttreiber für den Materialverlust: gröberes Papier und längere Strecken führten zu deutlich stärkerem Schneiden und Kratzen. Im Gegensatz dazu steuerte der MCC‑Füllstoff stark die Reibung und die finale Glätte der Oberfläche. Bei richtiger Dosierung machte MCC die Oberfläche härter und half, eine kompakte schützende Schicht – eine Triboschicht – zwischen dem Verbund und dem Abrasiv zu bilden. Diese Schicht reduzierte Mikro‑Schnitte und stabilisierte die Reibung. Zu viel MCC führte jedoch zu Partikelagglomeraten; diese Klumpen konnten ausbrechen und wie zusätzliches Schleifkorn wirken, wodurch der Verschleiß sogar anstieg, obwohl die Oberfläche glatter erschien.

Verschleiß unter dem Mikroskop betrachten

Mikroskopische Aufnahmen der verschlissenen Oberflächen bestätigten diese Trends. Verbunde ohne MCC zeigten tiefe Rillen, aufgerissenes Harz und herausgezogene Fasern – Zeichen starker Pflug‑Effekte und instabiler Verbindung zwischen Fasern und Matrix. Bei etwa 3 % MCC (Gew.) wurden die Rillen flacher, die Abriebpartikel kompakter und eine kontinuierlichere Schicht bedeckte die Oberfläche, was zum beobachteten Rückgang von Verschleiß und Reibung passte. Bei 6 % MCC war die Oberfläche noch glatter und die Reibung weiter reduziert, aber Risse um agglomerierte Partikel und ausgebrochene Füllstoffe deuteten darauf hin, dass der Verschleiß wieder zu steigen begann. Diese Bilder halfen, die Zahlen aus den statistischen Modellen mit physischen Schadensmustern auf mikroskopischer Ebene zu verknüpfen.

Das Optimum für grünere, langlebigere Bauteile finden

Durch die Kombination der statistischen Modelle mit den Messungen von Verschleiß und Reibung suchte das Team nach einem Einstellungsbereich, der gleichzeitig niedrigen Materialverlust, geringe Reibung und geringe Oberflächenrauheit ermöglicht. Der beste Kompromiss erwies sich als ungefähr 3 % MCC, relativ feine Abrasivbedingungen, moderate Last und mittlere Gleitstrecke. Unter diesen Bedingungen ging das Material wenig in Gewicht verloren, rutschte mit moderatem Widerstand und behielt eine vergleichsweise glatte Oberfläche. Für Nicht‑Fachleute lautet die Kernbotschaft: pflanzenbasierte Fasern und Füllstoffe lassen sich sehr präzise abstimmen, um Haltbarkeit und Nachhaltigkeit in Einklang zu bringen. Mit sorgfältiger Optimierung könnten Hanf–Bambus–MCC‑Epoxid‑Verbundwerkstoffe dazu beitragen, stärker belastende Materialien in Bauteilen zu ersetzen, die ständiger Reibung ausgesetzt sind, und so sowohl Wartungskosten als auch Umweltbelastung zu senken.

Zitation: Gowda, H.D.S., Hemaraju, Kumar, V.G.P. et al. Optimizing abrasive wear in sustainable MCC reinforced hemp bamboo epoxy composites for tribological applications. Sci Rep 16, 12990 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43505-9

Schlüsselwörter: Verbundwerkstoffe aus Naturfasern, abrasiver Verschleiß, Hanf‑Bambus‑Epoxid, mikrokristalline Cellulose, Tribologie