CharakterisierungvonHolz-und Naturfasern
EinepraxisbezogeneEinführungfürdieWerkstoffentwicklung HerausgegebenvonBurkhardPlinke,SörenFischer,HolgerFischer, NinaGraupnerundJörgMüssig
Herausgegebenvon
Dr.BurkhardPlinke ehem.Fraunhofer-Institut fürHolzforschungWKI Braunschweig
SörenFischer Continental Hannover
Dr.HolgerFischer FaserinstitutBremen Bremen
Dr.NinaGraupner HochschuleBremen
AGBiologischeWerkstoffe FachrichtungBionik Bremen
Prof.Dr.JörgMüssig HochschuleBremen
AGBiologischeWerkstoffe FachrichtungBionik Bremen
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Titelbild
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Satz le-texpublishingservicesGmbH,Leipzig DruckundBindung
PrintISBN 978-3-527-34109-2
ePDFISBN 978-3-527-80418-4
ePubISBN 978-3-527-80420-7
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Inhaltsverzeichnis
Geleitwort XI
Vorwort XIII
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung 1
1.1BegriffeundDefinitionen 1
1.1.1Faser,Faserbündel,Faserkollektiv 2
1.1.2Faserform 7
1.1.2.1Längsform 8
1.1.2.2Querschnittsform 15
1.1.2.3Oberflächenform 16
1.1.3ÜbersichtdermorphologischbestimmtenFaserformen 20
1.1.4Schlussfolgerung 20
Literatur 20
1.2Holzfaserwerkstoffe 22
1.2.1HolzwerkstoffeaufderBasisvonHolzfasern 22
1.2.1.1HerstellungvonHolzfaserwerkstoffen 24 Literatur 31
1.3Naturfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe 32
1.3.1NaturfasernundtextileHalbzeugefürFaserverbundwerkstoffe 33
1.3.2EinflussderLängsform 39
1.3.3EinflussderQuerschnittsform 40
1.3.4EinflussausLängs-undQuerschnittsform(Faser-Aspektverhältnis) 44
1.3.5EinflussderOberflächenform 45
1.3.6EinflussderOrientierung 46
1.3.7Mitnahmebotschaft 50 Literatur 51
2StandardisierteVerfahrenzurCharakterisierungvonFasernundPartikeln 55
2.1BegriffeundKlassifizierungderFasercharakterisierung 55
2.2Bestandsaufnahme 56
2.2.1MakroskopischeVerfahren 56
2.2.1.1Sichtanalyse 56
2.2.1.2Siebanalyse 57
Inhaltsverzeichnis
2.2.1.3Entwässerungsverhalten 62
2.2.1.4Ultraschall 64
2.2.1.5SonstigestandardisierteVerfahren 64
2.2.2PartikelbezogeneMessverfahren 64
2.2.2.1Bildverarbeitung 64
2.2.2.2Laserbeugung 65
2.2.2.3OptischeFaservermessung 67
2.2.2.4StatistischeCharakterisierung 68
2.3BedarfanEntwicklungundNormung 68 Literatur 69
3BildverarbeitungsmethodenzurCharakterisierungderFaserform 73
3.1VerfahrenzurBilddatenakquisition 74
3.1.1HistorischeMethoden 74
3.1.2GewinnungdigitalerBilddaten 75
3.1.3Bildsensoren 79
3.1.3.1Flächenkameras 79
3.1.3.2Digitalmikroskope 79
3.1.3.3Zeilenkameras 80
3.1.3.4Flachbettscanner 80
3.1.4AuflösungundKalibrierungvonBilddaten 81
3.1.5ReproduzierbarkeitoptischerGrößenvermessungen 82
3.1.6StatischeBilddatenakquisition–Prinzip 82
3.1.7GerätefürdiestatischeGrößenmessunganFasern 83
3.1.8DynamischeBilddatenakquisition–Prinzip 84
3.1.9GerätefürdiedynamischeFasergrößenmessung 84
3.1.10SpezielleAufnahmeverfahrenfürPapierfasern 85
3.1.11DreidimensionaleAufnahmeverfahrenfürPartikel 87
3.1.12VergleichendeÜbersicht:VerfahrenundGerätezurBilddatengewinnung anFasern 88
3.2VerfahrenzurBildvorverarbeitungundBildsegmentierung 88
3.2.1VorverarbeitungvonBilddaten 89
3.2.2SegmentierungvonBildern 91
3.3MathematischeModellezurBeschreibungvonGrößenkennwerten 94
3.3.1AllgemeineVerfahrenzurBeschreibungkompakterObjekte 94
3.3.2DeskriptorenfüreineallgemeineGrößeneigenschaft 95
3.3.3DeskriptorenfürzweiGrößeneigenschaften 96
3.3.4DeskriptorenfürallgemeineFormeigenschaften 98
3.3.5SpezielleVerfahrenzurBeschreibungvonFaserkonturen 99
3.4DarstellungvonKenngrößeninStatistiken 101
3.4.1GrafischeDarstellungvonGrößenverteilungen 101
3.4.2CharakterisierungvonVerteilungendurchKenngrößen 103
3.4.3BewertungvonStatistiken 107
3.4.4Mitnahmebotschaft 108 Literatur 109
4VerfügbareAnalytikmethodenund-geräte 113
4.1MorphologischeVerfahren 115
4.1.1ZweidimensionaleBildaufnahmeund-analyse 115
4.1.1.1FibreShape 115 Literatur 128
4.1.1.2FASEP® 129 Literatur 137
4.1.1.3DynamischeBildanalysezurCharakterisierungvonFasern:QICPIC 138 Literatur 147
4.1.2DreidimensionaleBildaufnahmeund-analyse 148
4.1.2.1GrundlagenderindustriellenComputertomografie 148 Literatur 159
4.1.2.2DreidimensionaleBildverarbeitungvonMikro-CT-Daten 161
4.1.3MikroskopischeundelektronischeVerfahren 171
4.1.3.1Rasterelektronenmikroskopie(REM) 171 Literatur 183
4.1.3.2LichtmikroskopischeVermessungvonWollfasern 184 Literatur 189
4.1.3.3KonfokaleLaserscanmikroskopie 189 Literatur 196
4.1.3.4LängenmessunganlangenFasernmittelsAlmeter 197 Literatur 199
4.2MechanischeFaserprüfung 199
4.2.1Einleitung 199
4.2.2KollektivzugprüfungmittelsStelometer 201
4.2.3Einzelelementprüfung 203
4.2.3.1EinzelelementzugprüfungmittelsDia-Stron 203
4.2.3.2EinzelelementbiegeprüfungmittelsDia-Stron 206
4.2.3.3EinzelelementzugprüfungmittelsTextechnoFAVIGAPHundFAVIMAT+ 206
4.2.3.4Faser-Matrix-Haftung:TextechnoFIMATEST 207 Literatur 212
4.2.4MessungderFaser-Matrix-Haftung 213
4.2.4.1Motivation 213
4.2.4.2Einleitung 213
4.2.4.3BegriffeundDefinitionen 214
4.2.4.4Methoden 217
4.2.4.5VerfahrensvergleichundKritik 243 Literatur 246
5ModellierungundSimulation 255
5.1SimulationundModellierungvonFaserverstärkungenbeimSpritzgießen 255
5.1.1Einleitung 256
5.1.2GrundlagenderStrömungsmechanik 257
5.1.2.1Erhaltungsgleichungen 257
5.1.2.2RheologievonPolymerschmelzen 258
5.1.2.3GrundlagennumerischerStrömungsmechanik 260
5.1.3VorhersagevonFaserorientierung,FaserlängeundFaservolumengehalt 261
5.1.3.1BeschreibungderFaserorientierung 261
5.1.3.2VorhersagederFaserorientierung 263
5.1.3.3VorhersagedesFaservolumengehalts 264
5.1.3.4VorhersagederFaserlänge 265
5.1.4BerücksichtigungderFasereigenschafteninStruktursimulationen 266
5.1.4.1Mapping 266
5.1.4.2Homogenisierung 266
5.1.5Praxisbeispiel 268 Literatur 271
5.2MathematischeSyntheseundModellierungderEigenschaften vonHolzfasernetzwerken 273
5.2.1Einleitung 273
5.2.2Analyse-undSimulationsverfahrenfürdieStruktur vonHolzfaserwerkstoffen 276
5.2.2.1Werkstoff 276
5.2.2.2BerechnungderFaserorientierung 278
5.2.2.3SegmentierungvonFaserbündeln 284
5.2.3KonstruktioneinesvirtuellenFasernetzwerkesmit GeoDict286
5.2.4ZweiskalensimulationzurBerechnungderphysikalisch-mechanischen EigenschaftenvonHolzfaserwerkstoffen 289
5.2.5Simulationsergebnisse 291
5.2.5.1EinflussvonFaserbündelnaufdieSteifigkeitundFestigkeitvonMDF 291
5.2.5.2EinflussdesAusrichtungsgradsderHolzfasernaufdiemakroskopischen mechanischenEigenschaftenderMDF 296
5.2.6Mitnahmebotschaft 297 Literatur 298
6ProzessnaheoptischeMesstechniken 301
6.1FiberView–SystemzurInlinefaserqualitätskontrolleundRefiner-Optimierung inderHolzwerkstoffindustrie 301 Literatur 310
6.2VergleichzwischenstatischerunddynamischerBildanalyseamBeispiel vonHolzpartikeln 311
6.2.1Problemstellung 311
6.2.2StandderNormungfürWPC 312
6.2.3Rohstoffe 313
6.2.4UntersuchteMesssysteme 313
6.2.5VergleichderGeräteeigenschaften 314
6.2.6VergleichendeCharakterisierungderGrößenverteilungen 315
6.2.7VergleichoptischbestimmterGrößenverteilungenmitderSiebkurve 318
6.2.8DiskussionundSchlussfolgerungen 319
6.2.9Mitnahmebotschaft 319 Literatur 319
6.3DynamischeVermessungvonHolzfasernundHolzfaserbündeln mitdemQICPIC-Messsystem 320
6.3.1Gerätekonfiguration 321
6.3.2DurchführungderMessung 322
6.3.3Anwendungsbeispiel:EinflussderHolzfeuchteaufdasMahlverhalten vonBuchenholz(Fagussylvatica) 326
6.3.4Fazit 327
Literatur 327
6.4InlinemessungderFaserorientierung 328
6.4.1Messtechnik 329
6.4.2BildanalytischeBestimmungderFaserorientierung 329
6.4.3WeitereAnwendungsgebiete 331
6.4.4Zusammenfassung 333 Literatur 334
AutorinnenundAutoren 337
Stichwortverzeichnis 349
Geleitwort
DerDuden 1) beschreibtdieFaseralsein„feines,dünnesfadenähnlichesGebilde,dasaus einempflanzlichenodertierischenRohstoffbestehtodersynthetischerzeugtist“.Dieses Buchzeigtauf,dasshinterdemnurscheinbareinfachenBegriffeingroßerThemenkomplexstehtundsolldazubeitragen,ihnsystematischzuerfassen:FasernunddaraushergestellteTextilienbegleitendenMenschenseitderVorzeit.SpäterwurdenausFasernPapiere undPappenhergestellt.DamitbeganndietechnischeNutzungvonFaserninFormvonFaserwerkstoffen.BeidenHolzwerkstoffenfandeninneuererZeitzunächstWeich-undHartfaserplattenEingangindasBauwesen.Mittel-undhochdichteFaserplatten(MDF/HDF) entwickeltensichvorgut30JahrenzuwichtigenTrägerwerkstoffenfürMöbelundBodenbeläge.
ImMittelpunktderVerwendungstandendabeipflanzlicheFasern,insbesondereFasern ausHolzerlangteneinehoheBedeutung.DerAnwendungsbereichderFaserwerkstoffeerweitertesichnochmalsimmensdurchdieEntwicklungsynthetischerPolymerfasern.Auch gibtesindustriellgeschaffenemineralischeFasernwieGlas-undGesteinsfasernodernatürlichewieAsbest.DieletztgenanntenFasern werdeninzwischenaufgrundihreskarzinogenenPotenzialszumindestinEuropagemieden.HeutesindWerkstoffeausFasernunverzichtbarerBestandteilvonZivilisationundtechnischemFortschritt.AuchdieHerausforderungdesKlimaschutzesistohnedieNutzungvonFasernnichtzubewältigen.Beispielhaft genanntseienhiernurFaserdämmstoffefürdieWärmedämmungvonGebäudenoderfaserverstärkteHochleistungswerkstoffefürWindräderoderFahr-undFlugzeuge.
DiemeistenFasernwerdenauseinerpflanzlichenSubstanzdurchthermische,mechanischehydrolytischeoderchemischeAufschlüsseisoliertoderüberdiePolymersynthese generiert.DiegewonnenenFasernweisenunterschiedlicheLängenundDickenaufund sindgekennzeichnetdurcheineVielzahlvonphysikalischen,mechanischenundchemischenEigenschaften.BeidenVerbundwerkstoffenhabendieOberflächeneigenschafteneinewichtigeFunktion.
DiegenanntenEigenschaftenunterliegen darüberhinauseinemvomRohstoffundvom AufschlussverfahrenabhängigenVerteilungsmuster.ZurOptimierungdesAufschlussprozessesundzurGewinnungbestmöglicherFasernundVerbundwerkstoffeisteswichtig, dieseEigenschaftengenauundschnellzubestimmen.HierhatesindenvergangenenJahrzehnteneinerasanteNeu-undWeiterentwicklungderMethodenderFasercharakterisie-
1)https://www.duden.de/rechtschreibung/Faser
runggegeben.BedeutsamsindvorallemVerfahrenderoptischenMesstechnikundder BildverarbeitungsowiedermechanischenCharakterisierung.DiesogewonnenenDaten ermöglichenauchdieAnwendungdermathematischenModellierungundSimulation.
Umsowichtigeristes,dieseinLaborenundForschungseinrichtungenentwickelten TechnikenunddasinzahlreichenVorträgen,FachartikelnundMerkblätternpublizierte Wissenzusammenzutragen,zugewichtenundinverständlicherFormfürinteressierte Naturwissenschaftler:innen,Ingenieur:innenundTechniker:innendarzustellen.ImvorliegendenFachbuchzurtechnischenFasercharakterisierunghabensichExpertinnenund ExpertenausunterschiedlichenDisziplinendieserHerausforderungangenommen.Das FachbuchstelltumfassenddenaktuellenStandvonWissenschaftundTechnikdar.Esist verständlichgeschriebenundverdeutlichtdiewissenschaftlichenZusammenhängedurch zahlreicheAbbildungenundTabellen.DenanweiterführendenErkenntnisseninteressiertenFachleutenwirdeinausführlichesVerzeichnisanLiteraturstellenangeboten.
IchmöchtedieLektüredesFachbuchesallenanderThematikinteressiertenPersonen inStudium,ForschungundEntwicklungausdrücklichempfehlenundbedankemichbei denAutorenunddemVerlagfürdieErarbeitungundHerausgabediesesKompendiums derFasercharakterisierung.
Braunschweig,imJuli2023
Prof.Dr.RainerMarutzky
Vorwort
WarumdiesesBuch?
AmAnfangstanddieErkenntnis,dassvieleMenscheninderPraxismitNaturfasernund daraushergestelltenWerkstoffenbefasstsind,aberimmernurmiteinemAusschnittder Wirklichkeit:MitbestimmtenArtenvonFasern,mitspeziellenVerfahrenundGeräten zurCharakterisierungihrerEigenschaften,mitbesonderenMethodenzurSimulationvon WerkstoffenoderproduktionsnahenAnwendungen.MitdiesemBuchwollenwirdenBlick überdenRanddesTellerserleichtern,dazuermutigen,eineanderePerspektiveindaseigeneWisseneinzubeziehenundnatürlichinsgesamtzurverstärktenNutzungvonNaturfasernbeitragen.
Wasfindetsichdarin?
DasBuchbeginntinKap.1miteinerfachsprachlichenundeindeutigenSystematikder BegriffefürNaturfaserartenundihreEigenschaften,ergänztdurchÜbersichtenzuden AnwendungsfeldernderHolzfaserwerkstoffe unddernaturfaserverstärktenKunststoffe. DaranschließtsichalsKap.2einekurzeBestandsaufnahmeüberbereitsstandardisierte, vorwiegendmechanischeVerfahrenan.SpezialisierteVerfahrenundMethodenbildenden HauptteildesBuches:DasKap.3beschreibtdiePrinzipienderFaservermessungmitdigitalerBildverarbeitungundsollaufzeigen,dassesnicht„dieBildverarbeitung“gibt,sondern dahintereineVielzahlmöglicherVariantensteckt.DasKap.4beginntmiteinertabellarischenÜbersichtüberGeräteundMethodenderoptischen,radiometrischenundmechanischenFaservermessung.DiesewerdendannjeweilsineinzelnenBeiträgenausführlich vorgestellt.DaranschließtsicheineausführlicheDarstellungderFaser-Matrix-InteraktionenundderdazugehörigenMessmethodenan.DerModellierungundSimulationvonaus Fasernbestehendenbzw.faserverstärktenWerkstoffenwidmetsichdasKap.5.Praktische Problemstellungenwiez.B.InlinemessungenundVergleicheverschiedenerGerätesindin Kap.6dargestellt.EinekurzeVorstellungallerAutorinnenundAutorenmitKontaktdaten findetsichamEndedesBuches.
Waswirnochanmerkenwollen
DieErstellungdiesesBucheszogsichübereinigeJahre,aberwirdenken,dassderaktuelle StanddesWissenstrotzdemgutgetroffenwurde.EtwaigeLückenbittenwirzuentschuldigen–esgibtkaumeinenAspektdesThemas,dernichtnochausführlicherhättedargestellt
Vorwort
oderdiskutiertwerdenkönnen,abereinBuchhatebennichtbeliebigvieleSeiten.Vieles lässtsichanhandderLiteraturhinweisezujedemKapitelweiterverfolgen.Wirhabenuns bemüht,imBuchüberdieunterschiedlichstenDisziplineneinheitlicheBezeichnungenzu verwenden,umeineeinheitlicheVerständigungzwischendenBeteiligtenzuerreichen. VielesinderWortwahlderAutorinnenundAutorenderjeweiligenKapitelwurdebearbeitet,aberdieunterschiedlicheSichtweisederimBuchvertretenenDisziplinenu.a.aus denBereichenFaserwerkstoffe,Mathematik,Messtechnik,VerfahrenstechnikaufdieFasernunddaraushergestellteWerkstoffeistgeblieben,undwirhoffen,dassdieVielfaltals Bereicherungangenommenwird.
imAugust2023
BurkhardPlinke,HolgerFischer,SörenFischer, NinaGraupnerundJörgMüssig
Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Einleitung
UnterdenBegriffen“Faser”und“Fasereigenschaften“werdenoftsehrunterschiedlicheDingeverstanden,jenachdem,inwelcherBrancheFaserneingesetztwerden.JenachUrsprung, VerwendungundCharakterisierunggibtesfürFaserntierischeroderpflanzlicherHerkunft verschiedeneundvielfach„gewachsene“Begrifflichkeiten,diezuMissverständnissenund Unklarheitenführenkönnen.DasBuchbeginntdahermiteinerausführlichenBegriffsklärung(Abschn.1.1).
ExemplarischwerdenimAnschlussandasBegriffskapitelzweiwichtigeEinsatzgebietevon Naturfasernnäherbetrachtet:NebendenausmehroderwenigergroßenHolzspänenaufgebautenHolzwerkstoffenwerdenPlattenwerkstoffevorgestellt,fürdieHolzweitgehend zuEinzelfasernzerkleinertwird(Abschn.1.2).VerbundwerkstoffeausNaturfasernundeiner KunststoffmatrixfindenvielfachAnwendungals Form-oderSpritzgussbauteile(Abschn.1.3).
BeideArtenvonWerkstoffenspielenimtäglichenLebeneinegroßeRolleundwerdenmit zunehmendemEinsatznachwachsenderstattfossilerRohstoffenochanBedeutunggewinnen.
1.1BegriffeundDefinitionen
IndiesemBuchgreifendieBereicheFasern,Textilien,Holzwerkstoffe,FaserverbundwerkstoffeundPrüftechnikübergangslosineinander.InklarabgegrenztenBereichenmagdie KommunikationdurchVereinbarungenundSprachgewohnheitenfunktionieren,wennjedochunterschiedlicheBereichebetroffensindundeinetransdisziplinäreZusammenarbeit erfolgt,werdendieUnzulänglichkeiteneinesderartigenSprachgebrauchshäufigerstbemerkbar.DaesvorallembeieinerÜberschneidungvonWissenschaftsgebietenzuKommunikationsproblemenkommenkann,isteineeindeutigeundsystematischeVerwendungvon Begriffenzwingendgeboten.AusdiesemGrundwirdzuBeginndesBucheseinbesonderer WertaufdieTerminologiegelegt.BocheńskimerktindiesemZusammenhangan„FürwissenschaftlicheZweckemußabereineperfekteSpracheangestrebtwerden,fürdiegenaueGesetze aufgestelltwerdenkönnenundmüssen.“[1].DieseForderunggreiftSchnegelsberginseinen ArbeitenfürdieBereicheFasernundTextilienaufundlegtmitseinenArbeiten Systematik derTextilien [2]sowie HandbuchderFaser [3]dieGrundlagefüreinenormativeFachsprache,
CharakterisierungvonHolz-undNaturfasern – EinepraxisbezogeneEinführungfürdieWerkstoffentwicklung, 1.Auflage.BurkhardPlinke,SörenFischer,HolgerFischer,NinaGraupnerundJörgMüssig. ©2024Wiley-VCHGmbH.Published2024byWiley-VCHGmbH.
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung mitdersichkonsistentundwissenschaftlichnachvollziehbar,ZusammenhängeimBereich derFasernundTextiliendarstellenlassen.
AufderGrundlagederArbeitenvonSchnegelsbergwerdendieBegrifflichkeiten–wennnötigmitErweiterungundErgänzung–imBereichderFasern,faserförmigenHalbzeugenund Textilienvorgestellt.WeiterhinwirdeinesystematischeÜbersichtfürdieVerstärkungselementevonHolzwerkstoffenvorgeschlagen.
Autor:JörgMüssig
1.1.1Faser,Faserbündel,Faserkollektiv
NachSchnegelsbergisteine Faser einGebilde,daselementarundlinearist,einecharakteristischeLängs-undQuerschnittsformundeinecharakteristischechemischeZusammensetzung(Faserstoff)aufweist[3].
DerBegriff Faserstoff (Fasersubstanz)beschreibtdie„chemisch-stofflicheSubstanzeiner Faser “.HierbeisindnatürlichgegebeneFasersubstanzen,wieCelluloseoderProteineund industriellgeschaffeneFasersubstanzenwieMetalllegierungenoderPolyamidezuunterscheiden[3].
Eine industriellgeschaffene PolyamidfaseristeinePolymerfaser,derenFaserstoffauslinearenaliphatischenPolyamidenmitalternierenden–CO–NH-Gruppenaufgebautist.Im Gegensatzdazubestehtdie natürlichgegebene CottonfaserzumgroßenAnteilausderFasersubstanzCellulose,einemlinearenPolysaccharid,dasaus β(1-4)-verknüpftend-GlucoseEinheitenbesteht.
ImFallevonpflanzlichenNaturfasernmerktVincent[4]an,dasseineFaserdiekleinsteintakteEinheitineinerPflanzenstrukturistundfügthinzu,dasssichderBegriffFaser nuraufeineeinzelnelänglichePflanzenzellebeziehensollte,z.B.dieCottonfaser.Erweist daraufhin,dassNaturfasernseltenalseinzelneZellenvorkommen,sondernmeistzuBündelnzusammengefügtsind[4].InAbb.1.1istzurIllustrationeinpflanzlichesFaserbündel gezeigt,dasauseinzelnenFasernzusammengesetztundjenachGraddesAufschlussesbis zureinzelnenFaseraufgeschlossenwerdenkann.
Ein Faserbündel isteinzusammengesetztesFaserkollektiv.DieeinzelnenFasernsind miteinanderverklebtundverkittetundlassensichdurchbiologische,chemischeodermechanischeVerfahrenausdemFaserbündelbiszureinzelnenFaserauflösen[3,6].
EderundBurgert[7]weiseninihrerArbeitaufdieProblemebeiderBenennungvon „Holzfasern“hin.AlsStartpunktsetzendieAutor:innendieProdukteZellstoffundPapier,
Abb.1.1 EinpflanzlichesFaserbündelkannbiszur einzelnenFaseraufgeschlossenwerden[5] (mitfreundlicherGenehmigungvomVerlagScrivenerPublisher).
3 1.1BegriffeundDefinitionen fürdiehauptsächlichfaserförmigeZellendesHolzesverwendetwerden.Botanischgesehen handeltessichdabeiumsekundäreXylemzellen,wobeidasXylemdasGewebeist,welches zurLeitungvonWasserundNährstoffendientundmeistauchzurmechanischenFestigkeit derStrukturdient.DieAutor:innen[7]betonen,dassausevolutionärerSichtHolzfasern dieFolgeeinerfortschreitendenSpezialisierungderGewebetypensind.DasHolzderevolutionärälterenNadelhölzerbestehtzuungefähr95%auseinemZelltyp,densogenannten Tracheiden,diedemWassertransportdienenundgleichzeitigdieStrukturfestigenkönnen.InhochentwickeltenLaubhölzern(Angiospermen)übernehmenzweispezialisierte ZelltypendiesebeidenFunktionen,GefäßemitgroßemLumenunddünnenZellwänden und Fasern mitkleinemLumenunddickenZellwänden.EderundBurgertfassenzusammen,dassWeichholztracheideninbotanischerSichtnichtalsPflanzenfasernbezeichnet werden,allerdingsimBereichderHolzwerkstoffealssogenannte„Weichholzfasern“eine entscheidendeRollespielen[7].
DieeingangsvorgestellteDefinitionfüreineFaserwidersprichtdemnicht,sodassim RahmendesvorliegendenBuchesnebendenHolzfasern(botanisch)imFestigungsgewebe derLaubhölzerauchdieanderenHolzzellenderLaubhölzerals„Hartholzfasern“undbei denNadelhölzernals„Weichholzfasern“bezeichnetwerden.ZurweiterenDifferenzierung derZellenbeiNadelhölzern(Koniferen)undLaubhölzern(Angiospermen)seiz.B.aufdie ArbeitvonKull[8]verwiesen.
NachDunkyundNiemz[9]werdenHolzwerkstoffedurchZerkleinerndesBaumsund anschließendesZusammenfügenderentstandenenHolzelementeerzeugt(sieheAbb.1.2). VergleichbarzutextilenFlächengefügen(sieheAbschn.1.3.1)könnenunterschiedlicheArtenderVerbindungauftreten.ZunennensindHaftung,VerklebungundzusätzlichdieVerwendungvonVerbindungenzurlagestabilenFixierungderElemente.
InderLiteraturzuHolzwerkstoffenwerdendieverwendetenHolzelementezwarbeschrieben,einesystematischeÜbersichtunterBerücksichtigungvonOrdnungsmerkmalen (z.B.derMorphologie)fehltallerdingshäufig.Soklassifiziertz.B.Marrainden1970erJahren([10]undzitiertin[9])dieverwendetenHolzelementezumAufbauvonHolzwerkstoffenvomStammbiszurCellulose,ordnetdieseallerdingsnichtsystematischundbeschreibtlediglich,dasssichdie„grundlegendenHolzelementevomGrößtenzumKleinsten erstrecken“[10].
BeiderStudiederLiteraturzuHolzwerkstoffenfälltzumTeileinefehlendesystematische VerwendungvonBegriffenauf.SowirdderHolzwerkstoff Scrimber denSpanwerkstoffen zugeordnet[9,11,12],obwohldasentsprechendeHolzelementnichtdurchZerspanung entsteht,sonderndiePartikeldurchZerquetschengeschaffenwerden.Eswirddahervorgeschlagen,dieseUnterschiedeauchbegrifflichzuverdeutlichen(Spanversus Quetschpartikel;sieheAbb.1.2).
EinanderesBeispielstelltdieWortung Holzwolle dar.WolleistderBegrifffüreinKollektivausanimalischenFasern,derenFaserstoffausKeratinbesteht[3].Schnegelsbergmerkt an,nichtsystemkonformeBegriffewieBaumwolle,Zellwolle,Glas-oderSteinwolledurch alternativeBenennungenzuersetzen[3].FürdienichtsystemkonformeBenennungHolzwollewirdfolgendesVorgehenvorgeschlagen:DasHolzelementwird Hobel-Langspan genannt,dadiebiszu500mmlangenHolzelementemitspanabhebendenHobelmaschinenhergestelltwerden.EineEinordnunginFeinheitsklassenorientiertsichan[13],wobei dieGradierungderFeinheitseinteilungnachSchnegelsberg[3]erfolgt.DasKollektivvon
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.2 VomBaumüberdasZerlegenundZusammenfügenderHolzelementezumHolzwerkstoff–derVersucheinersystematischenZusammenstellungzurbegrifflichenOrdnung.OSB:orientedstrandboard;LSL:laminatedstrandlumber;MDF:mitteldichteFaserplatte;HDF:hochdichte Faserplatte.
Langhobelspänensollals Holzflocke bezeichnetwerden.DieUmsetzungistAbb.1.2zu entnehmen.
ImRahmendiesesBuchprojektswirdderVersuchunternommen,denBereichderHolzelementefürHolzwerkstoffesystematischerzustrukturierenundeineAnpassungvonBegriffenvorzunehmen,damitsichkeineWidersprüchlichkeitenmitderSystematikderTextilienundFasernergeben.DasErgebnisdiesesAnsatzesistinAbb.1.2grafischumgesetzt. InTeil(A)derAbb.1.2findetsichdieschematischeDarstellungvon Piceaabies,derGemeinenFichte,(B)zeigtdenQuerschnittdurcheinenFichtenstamm.ImBildteil(C)wirdgezeigt,dasssowohlGrößealsauchDickederZellwandderFichtenfasernübereinenJahresringerheblichvariieren(Frühholzwirdgebildet,umeineneffizientenWassertransportzu gewährleisten;SpätholzmitdickenZellwändenwirdhauptsächlichzurmechanischenUn-
Abb.1.3 DiesynonymeVerwendungderBenennung„Shives“imBereichderPapier-undHolzwerkstoffherstellungsowiederBastpflanzenaufbereitung.
terstützungdesBaumsgebildet).Bildteil(D)zeigtdieHolzfasern,dieeinemhohlenRohr mitverjüngtenEndenähneln,dasetwa0,5–4mmlangund15–40μmdickist;dieZellwändesind0,5–10μmdick[7,9].DurchZerlegungundZerkleinerungdesBaumslassensich unterschiedlicheHolzelementeschaffen,diedurchZusammenfügenzumHolzwerkstoff werden.BeispieleundGrößenangabenfürHolzelementeundHolzwerkstoffeentstammen denArbeitenausMarra[10],Kull[11],DunkyundNiemz[12],Niemz[13],Burgert[14], Thole[15],Thömen[16]undRichteretal.[17].
DasvorliegendeBuchverknüpftdieBereicheNaturfasern,faserförmigeHalbzeuge, TextilienundVerstärkungselementefürHolzwerkstoffemitnaturfaserverstärktenVerbundwerkstoffen.GreifenunterschiedlicheWissenschaftsgebieteineinander,werden unterschiedlicheSprachgewohnheitenoffensichtlich.ZumunmissverständlichenAustauschvonInformationenisteinefachübergreifendeTerminologieanzustreben,wieder AnsatzinAbb.1.2zeigt.
BeiderBegriffsanalyseimBereichderAufbereitungderBastfaserpflanzenundder HolzwerkstoffherstellungwirddiesynonymeVerwendungvonBenennungendeutlich. DieAbb.1.3zeigteinBeispieldafür.SowohlimBereichderPapier-undHolzwerkstoffherstellungalsauchbeiBastpflanzenaufbereitungwirddieBenennung„Shive“verwendet. VorallemimenglischenSprachgebrauchwerdendieSchwierigkeitendersynonymenVerwendungderBenennungoffensichtlich.FormalhandeltessichinbeidenFällen(„Shives“ versusSchäben)umFaserbündelausdemHolz(Xylem)derPflanzeinunterschiedlichenAufschlussgraden.ZurbegrifflichenTrennungwirdvorgeschlagen,beiSchäbenaus BastpflanzenimenglischendenNamenderPflanzevoranzustellen(z.B. hempshives).
UnterdemBegriff Faserkollektiv werdenFaserngeringer,mittlererodergroßerAnzahl verstanden,„diebegrifflicheineEinheitbilden“[3].ZudenungeordnetenFaserkollektivengehörenz.B.dieFlocke,derFaserbreioderderFlock(begrifflicheZuordnungsiehe Abb.1.35inAbschn.1.3).ZudengeordnetenFaserkollektivenzählendasFaserbüschel, derFaserfloroderdasFaserband[3].
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.4 Links:Einzelelemente:(a)Chemiefaser,(b)einzelnePflanzenfaserund(c)einzelnesFaserbündelversusKollektive;rechts:(A)Chemiefaserkollektiv,(B)einzelnesPflanzenfaserkollektivund (C)Faserbündelkollektiv[5](mitfreundlicherGenehmigungvomVerlagScrivenerPublisher).
NebendemBegriffFaserkollektivmussimRahmendesBuchesauchderallgemeinereBegriff Kollektiv eingeführtwerden,danebenFasernauchandereEinzelelementewie z.B.einFaserbündelzueinemKollektivzusammengefügtwerdenkönnen.VordiesemHintergrundundunterBerücksichtigungderTatsache,dassKollektivversucheeinewichtige MethodezurCharakterisierungz.B.derLänge(Almeter),derFestigkeit(HVIundStelometer)sowiederFaser-Matrix-Haftungsind,veranschaulichtAbb.1.4verschiedeneArten vonKollektivenausEinzelelementen.
Ein Faserbüschel istnachSchnegelsberg[3]eingeordnetesFaserkollektivauswenigen Stapelfasern,diezusammengeraffteingebundenwerden.DerBegriffFaserbüscheltaucht auchimRahmeneinigerPrüfmethodenvonNaturfasernauf.AlsBeispielseihierdieProbenpräparationfürdasRasterelektronenmikroskop(REM)genannt,dieinAbb.1.5schematischdargestelltist.ParallelisierteFaserninFormeinesFaserbüschelswerdenineinen Schrumpfschlaucheingeführt.DieQuerschnittevonFasernwerdengeschnittenundfür dieREM-Untersuchungvorbereitet.
Abb.1.5 ProbenvorbereitungsschrittevonQuerschnittenfürdasRasterelektronenmikroskop (REM)[14](mitfreundlicherGenehmigungvomVerlagJohnWiley&Sons).
(b)(c) (B) (C)
1.1.2Faserform
DieInhalteundSchwerpunktedesvorliegendenBucheszumThemaFasercharakterisierungliegenu.a.aufderFaserform.AusdiesemGrundwerdenBegriffezurFaserformund zudenteilbezogenenFaserformenimRahmendiesesAbschnittesgenauerbeschrieben.
Die Faserform beschreibtdie„morphologischbestimmbareFormeinerFaser “odereines FaserbündelsundlässtsichinGestaltundGrößegliedern.BesondersrelevantfürdieCharakterisierungimRahmendiesesBuchessinddieteilbezogenenFaserformen:(i)Längsform,(ii)Querschnittsformund(iii)Oberflächenform[3].
ZurBeschreibungder Längsform werdender Faserverlauf unddie Faserlänge betrachtet.Die Querschnittsform istzusammengesetztausFaserschnittundFaserfeinheitunddie Oberflächenform istein„KorrelatausFaserstrukturundStrukturfeinheit “[3].ZumbesserenVerständnissindfüreineWeichholzfaser(Tracheide)desSpätholzesderGemeinen Fichte,eineCotton-undeineWollfaserinAbb.1.6–1.8dieZuordnungenzudenteilbezogenenFaserformengrafischumgesetzt.EssollmitdenAbbildungenweiterhingezeigtwerden,dassjenachArtdesformbezogenenMerkmalsunterschiedlicheZuordnungenund Benennungengetroffenwerdenkönnen.
Abb.1.6 TeilbezogeneFaserformenfüreinefaserförmigeZelle(Tracheide)desSpätholzesder GemeinenFichte(Piceaabies)(GrafikentwickeltaufderBasisderTheorieundSystematikderFaser[3]).
Abb.1.7 TeilbezogeneFaserformenfüreineCottonfaser(GrafikentwickeltaufderBasisderTheorieundSystematikderFaser[3]).
8 1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.8 TeilbezogeneFaserformenfüreineWollfaser(GrafikentwickeltaufderBasisderTheorie undSystematikderFaser[3]).
Abb.1.9 GraduierungteilbezogenerFaserformen(Faserverlauf,FaserfeinheitundStrukturfeinheit) (GrafikentwickeltaufderBasisderTheorieundSystematikderFaser[3]).
BezüglichderFasermesstechnikistesbesonderswichtig,Unterschiedeingemessenen Faserformenbegrifflichbenennenzukönnen.HierzusindinAbb.1.9wichtigeBeispiele fürgraduierbareFasereigenschaftenzum Faserverlauf ,zur Faserfeinheit undzur Strukturfeinheit zusammenfassenddargestellt.
NachdieserkurzenEinführungundVorstellungderteilbezogenenFaserformen (i)Längsform,(ii)Querschnittsformund(iii)OberflächenformwerdendieseimFolgendendetailliertervorgestellt.BegrifflichkeitenundZuordnungenwerdenauchaufdie FragestellungenimZusammenhangmitdemSchwerpunktaufdieFasermesstechnikhin diskutiert.
1.1.2.1Längsform
InderArbeit„SystematikundBegrifflichkeitimBereichderFaserlängenmessung“[15] wirdbereitsdaraufhingewiesen,dasseinesystematischeVerwendungvonBegriffenhilft, sprachlicheWidersprüchlichkeitenimBereichderFaserlängenmesstechnikaufzulösen.
9 1.1BegriffeundDefinitionen
DieLeser:innenwerdenimFolgendeneineSystematikfinden,dieesihnenerlaubt, Messverfahren,dieimweiterenVerlaufdesBuchesvorgestelltwerden,entsprechend ihrerCharakteristikeinzuordnen.AlsEinstiegseinocheinmalfestgehalten,dasszur Beschreibungder Längsform der Faserverlauf unddie Faserlänge betrachtetwerden (vgl.Abb.1.6–1.8).
1.1.2.1.1Faserverlauf
Ein Faserverlauf kanngrundsätzlich,wieinAbb.1.10gezeigt,in schlicht und kraus unterteiltwerden.ImZusammenhangmitkrausenFaserverläufenisteswichtig,zweiBegriffeklarzutrennen:KrauseundKräuselung(sieheauch[2,15]).Mit Kräuselung istein verfahrenstechnischerVorganggemeint,mitdemeineFasermitschlichtemVerlaufineinenkrausenVerlauf(Krause)überführtwird.„DieKrauseistdasErgebniseinerKräuselung“[2].
MitAbb.1.10lässtsichnebenderbegrifflichenZuordnungaucheinersterwichtiger AspektderFaserlängenmessungbeschreiben.Wiein[15]ausgeführt,habenalleFasernin Abb.1.10beireinerBetrachtungderErstreckungineineRichtungetwadengleichenLängenwert.WenndiegewendelteFaserlanggestrecktwird,ergibtsichimVergleichzurFaser mitschlichtemVerlaufeinetwadoppeltsogroßerWertderLänge.MitdiesemBeispielsoll deutlichwerden,wiewichtigdiePräparationsmethodikaufdasErgebnisderLängenmessungseinkann[15].
DerFaserverlaufkannsichimRahmenderVerarbeitung,aberebenauchimRahmender PräparationundbeidereigentlichenMessungverändern.WieinAbb.1.11gezeigt,schlägt Matthes[16]eineVierteilungmöglicherAnordnungenvor:(i)gekrümmt,(ii)gerichtet, (iii)gestrecktund(iv)gedehnt.
Müssig,Rettig 1) undHarig[15]führenzurBeschreibungeineskrausenFaserverlaufsden KrausefaktorC ein.DerinAbb.1.13dargestellteFaktorerrechnetsichausderDifferenz derWerte ��diskret (sieheAbb.1.12;LängedesdiskretisiertenFaserverlaufes;entsprichtder LängedergestrecktenFaser)undWert ��max.gerad (sieheAbb.1.12;maximalegeradlinige VerbindungzwischenzweiPunkten(P)aufdemdiskretisiertenFaserverlauf)bezogenauf denWertvon ��max.gerad inProzent[15].BeiderartigenFragestellungistimmerdieMaßeinheitzurMessungderAbständezwischenzweiPunktenzudefinieren.Dasbekannteste
1)InGedenkenanDieterRettig, †2020.
Abb.1.10 SchematischeDarstellungtypischer Faserverläufe(GrafikentwickeltaufderBasisder SystematikderTextilien[2]).
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.11 MöglicheAnordnungenvonFasern,dieimVerarbeitungsprozessauftretenkönnen[17] (mitfreundlicherGenehmigung:DeutscherFachverlagFrankfurt).
Abb.1.12 DiskretisierungeinesFaserverlaufszurErmittlungdesKrausefaktors C [15](mitfreundlicherGenehmigungvomSchiele&SchönVerlag,Berlin).
BeispielindiesemZusammenhanggehtwohlaufdenMathematikerMandelbrotzurück, der1967fragte„WielangistdieKüsteEnglands?“ 2) [18].
DieinAbb.1.13gezeigtengradiertenteilbezogenenFaserformendesFaserverlaufs(Bogenformen)wurdenmittelsbildanalytischerVermessunganalysiert.BeiannährendgleichenWertenfür ��max.gerad ergebensichdeutlicheUnterschiedebezüglich ��diskret .Mithilfe des KrausefaktorsC liegteingeeigneterKennwertzurquantitativenBeschreibungeines krausenFaserverlaufsvor[15].WährendbeifürTextilenverwendetenFasernalleFormen derFaserverläufeanzutreffensind,habenHolzfaserneinenschlichtenbismaximalnormalbogigenFaserverlauf,sodassderKrausefaktorfürHolzfaserneineuntergeordneteRolle spielt.
1.1.2.1.2Faserlänge
EineFaseristentwederendlosoderlängenbegrenzt.FürendloseFasernsolltenachSchnegelsbergderBegriff Endlosfaser verwendetwerden[2].InAbgrenzungzurDIN60001[19] und60900[20]sollfüreinelängenbegrenzteFasernichtdieuneindeutigeBenennung Spinnfaser,sondernderBegriff Stapelfaser verwendetwerden[2].
LängedergesamtenFaser InderLiteraturwirdbeieinigenMessmethodendieBenennung „LängenmessunganendengeordnetenFasern“verwendet.Diesehistorischgewachsene BenennungsolltejedochdurchdenBegriff MessungderLängedergesamtenFaser
2)ErbeschreibtindiesemZusammenhang,wiegroßderEinflussderAuflösungeinesObjektsunddieWahlder verwendetenLängenskalaist.
Abb.1.13 BeispielefürdieBerechnungdesKrausefaktorsCfürunterschiedlicheFaserverläufe[15] (mitfreundlicherGenehmigungvomSchiele&SchönVerlag,Berlin).
ersetztwerden,dabeieinigenMessmethodenzwardiegesamteFaservermessen wird,aberaufdiePräparationendengeordneterFasernverzichtetwird[15,21].Nach diesemPrinziparbeitenbeispielsweisedasAFIS 3) [22]undeinigeBildanalysemethodenwieFibreShape 4) [23,24].NachMüssig,RettigundHarigerlaubtderBegriff MessungderLängedergesamtenFaser einesprachlicheindeutigeAbgrenzunggegenüberLängenmessmethoden,beidenenTeilabschnitteeinerFasergemessenwerden[15].
ZurInterpretationvonMessdaten,diemitMethodenzur MessungderLängedergesamtenFaser ermitteltwerden,mussunbedingtdieArtderProbenpräparationunddieArtdes Messprinzipsbeachtetwerden.EsergebensicherheblicheUnterschiede,wennbeieiner gesamtenFaserdiemaximalegeradlinigeVerbindungdesFaserverlaufs(��max.gerad )oder dieMessungentlangdesFaserverlaufs(Ldiskret )gemessenwird(vgl.Abb.1.14)[15].IndiesemZusammenhangseiangemerkt,dassbeioptischenMessungendiegemesseneLänge immerauchvondergewähltenoptischenAuflösungabhängt.
ProblemebeiderBestimmungder„LängedergesamtenFaser“ergebensichvorallembei Faserbündeln,dieAbzweigungeneinzelnerFasernoderkleinererFaserbündelaufweisen und/oderdurchVerzweigungenimVerlaufderLängecharakterisiertsind.
LängedesTeilabschnittseinerFaser DerwesentlicheUnterschiedzwischendenBegriffen LängedergesamtenFaser und LängedesTeilabschnittseinerFaser istdasBezugssystem.BeimerstgenanntenBegriffwirddieFragenachderRohstoffeigenschaftgestellt „wie istderRohstoff?“ ,währendbeiderBestimmungder LängedesTeilabschnittseinerFaser einverfahrenstechnischerBezughergestelltwirdunddieFrageimRaumsteht,„wieverhält sichderRohstoff? “[15,21].DieserverfahrenstechnischeBezugdesSpannlängenbegriffsist inAbb.1.15dargestellt.
3)NähereInformationenhierzufindensichimKapitel VerfügbareAnalytikmethodenund-geräte,AFIS (Abschn.4.1.3.4).
4)NähereInformationenhierzufindensichimKapitel VerfügbareAnalytikmethodenund-geräte,FibreShape (Abschn.4.1.1.1).
12 1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.14 LängedergesamtenFasergemessenals(a) Lmax.gerad und(b) Ldiskret [15] (mitfreundlicherGenehmigungvomSchiele&SchönVerlag,Berlin).
Abb.1.15 VerfahrenstechnischerBezugdesSpannlängenbegriffs[25]zitiertin[15] (mitfreundlicherGenehmigungvomSchiele&SchönVerlag,Berlin).
DieAbb.1.15zeigteinenAusschnitt(Walzenstreckwerk)ausdemSpinnereiprozess, wobeieinFaserbandverstrecktwird.DieAnalogiezurVermessungder LängedesTeilabschnittseinerFaser bestehtdarin,dassnichtendengeordneteFasernzufälliganeiner Klemmlinieerfasstwerden.DievonderKlemmlineindieStreckzoneorientiertenFasern werdenbezüglichihrerTeillängegemessenundinFormeinesFibrogrammsaufgetragen. ImFibrogrammwerdendieFasernnachihrerÜberstandslänge(Spannlänge)geordnet dargestellt[15].
DieWerteundHäufigkeitsverteilungenausMessungenderMethoden LängedesTeilabschnittseinerFaser und LängedergesamtenFaser unterscheidensicherheblichunddie MesswertesindimmerunterNennungderMethodeanzugeben.DieAbb.1.16zeigtdenZusammenhangzwischenHistogramm,StapeldiagrammundFibrogramm.DieAnwendung
derdargestelltenHäufigkeitsverteilungenfürdenBereichderBildanalysewerdenimAbschn.3.4vorgestellt.
1.1.2.1.3BezogeneLängedergesamtenFaser
NebenderinAbb.1.16gezeigtenHäufigkeitnachAnzahlkanndieHäufigkeiteinerLängenverteilungauchaufandereGrößenbezogenwerden.InAbb.1.17sinddieunterschied-
Abb.1.16 ZusammenhangzwischenHistogramm,StapeldiagrammundFibrogramm[21].
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.17 HäufigkeitderFaserlängenverteilungbezogenaufdieGesamtmasse, denGesamtquerschnittunddieGesamtfaserlänge[21].
Abb.1.18 UnterschiedlicheAspektverhältnissein AbhängigkeitvomFaserdurchmesser[26](mitfreundlicherGenehmigungvomVerlagScrivenerPublisher).
lichenMöglichkeitenbeispielhaftdargestellt.ImAbschn.3.4.2findensichweiterführende BetrachtungenzumThemader gewichtetenHäufigkeit .
1.1.2.2Querschnittsform
FürFaserverbundwerkstoffeistnichtnurdie LängederFaseroderFaserbündeleinewichtigeEigenschaft;dasAspektverhältnis(Länge/Durchmesser)beeinflusstmaßgeblichdie mechanischenEigenschaftendesVerbundwerkstoffs.InAbb.1.18ergebensichfürgleiche FaserlängenaufgrundverschiedenerDurchmesserunterschiedlicheAspektverhältnisse.
DieCharakterisierungdesDurchmesserseinerFaserfälltindieKategoriederteilbezogenenFaserformenundhierimSpeziellenindenBereichderQuerschnittsform.Wie imAbschn.1.1.2bereitsbeschrieben,setztsichdie Querschnittsform einerFaseraus Faserschnitt und Faserfeinheit zusammen.DieCottonfasern(vgl.Abb.1.7)habeneine bilobalebisamöbialeFaserquerschnittsform(Faserschnitt)undsindfein(Faserfeinheit). Wollfasern(vgl.Abb.1.8)habeneineorbaleFaserquerschnittsform(Faserschnitt)undsind mittelfeinbismittelgrob(Faserfeinheit).
1.1.2.2.1Faserschnitt
NachSchnegelsbergbeschreibtder Faserschnitt dieEigenschaft,diedieQuerschnittsgestaltderFaserbeinhaltet.BeiFasernlassensichgrobfolgendeSchnitteunterscheiden[3]:
1.rundförmigeSchnitte, 2.sternförmigeSchnitte, 3.stabförmigeSchnitte, 4.hohlförmigeSchnitte, 5.mehrförmige(kombiforme)Schnitte.
EineumfassendeÜbersichtderimBereichderFasernvorkommendenQuerschnittsformen findensichim HandbuchderFaser [3].BeispielhaftistdieSystematikderFaserschnittemit ausgewähltenFaserquerschnittsformeninAbb.1.19dargestellt.
1.1.2.2.2Faserfeinheit
Die Faserfeinheit isteine„Eigenschaft,diediemorphologischbestimmteGrößeeineseinzelnenFaserquerschnittsbeschreibt “[3].
ImBereichderTextilienstelltdieFeinheitBeziehungenzwischenMasseundLängedar. ImBereichdesfürFasernwichtigenTex-SystemswirddieFeinheitalslängenbezogene Masseangegeben(1tex = 1gpro1000m).
1Einführung:BegriffeundBedeutungderFasercharakterisierung
Abb.1.19 FaserschnittemitausgewähltenFaserquerschnittsformen(Übersichtentwickeltaufder BasisderSystematikderTextilien[3];nationaleBenennungen:kursiv;internationaleBenennungen:kursiv/fett).
DieFaserfeinheitkann:
•gleichmäßigfein(Normalfaser), •ungleichmäßigfein(SchwankungenderFeinheitentlangdesFaserverlaufs)und •konisch-fein(Grannenhaar)sein[3].
EineÜbersichtgleichmäßigfeinerFaserngibtAbb.1.20.EineeinzelneHolzfaseristwegenihrerzugeringenLängenichtverspinnbarundkannbezüglichihrerFeinheitdenfeinenFasernzugeordnetwerden.EineinzelnesHolzfaserbündelistjenachAufschlussgrad alsmittelgrobzubezeichnen.
DiemeistenbildbasiertenMethodenverwendendieLängenansichtdeszuprüfenden Elements,umeineAussageüberdieFeinheitzutreffen[23,27].Beikreisrunden(orbalen) QuerschnittenentsprichtdiegemesseneProjektionsbreitedemDurchmesserdesObjekts. BeivomKreisabweichendenQuerschnittensolltenichtvonDurchmesser,sondernvielmehrvonderBreitegesprochenwerden.Die Faserbreite oder Faserbündelbreite istdie morphologischeEigenschafteinerFaserodereinesFaserbündels,diediegrößtemessbareAusdehnungdesObjektsinderQuerrichtungbeschreibt.FüreinFlachsfaserbündelist diesinAbb.1.21exemplarischgezeigt.
1.1.2.3Oberflächenform
Die Oberflächenform isteinederteilbezogenenmorphologischenFaserformenundbeschreibtdieOberflächenbeschaffenheiteinerFaserodereinesFaserbündels.Wiebereits imAbschn.1.1.2erwähnt,setztsichdie Oberflächenform aus Faserstruktur (Gestalt) und Strukturfeinheit (Größe)zusammen[3].
ZurCharakterisierungderOberflächenbeschaffenheitvonFaseroderFaserbündelistes nachLatzkeundHesse[29]wichtig,eineEinteilungvorzunehmen,obdieOberflächen-
Abb.1.20 SystematikderFaserfeinheiten(Übersichtentwickelt aufderBasisderSystematikderTextilien[3]).
(a) (b)
Abb.1.21 FlachsfaserbündelmitvariierendemQuerschnittüberdemFaserverlauf(ungleichmäßig fein):(a)Längsansicht;(b)QuerschnittmitFaserbündelbreite[28](mitfreundlicherGenehmigung desSpringer-Verlages).
form(i)wachstums-bzw.herstellungsbedingtoder(ii)nachbehandlungsbedingtist.Als „praktischwichtigereKlassifizierung“schlagensievor,dieFaserstrukturindieKategorien glattundstrukturierteinzuteilen[29].
1.1.2.3.1Faserstruktur
Die Faserstruktur istdieOberflächengestalteinerFaserodereinesFaserbündels[3]. LatzkeundHesse[29],Bobeth[30]sowieSlootmakerundMüssig[14]gebeneinenumfassendenÜberblicküberOberflächenbeschaffenheitenvonFasernundFaserbündeln. InAbb.1.22findetsicheineZuordnungcharakteristischerOberflächenbeschaffenheiten ausgewählterNaturfasernzurSystematikderFaserstrukturennachSchnegelsberg[3]. AuchbeidieserZuordnungistdiegewählteAuflösungdesbildgebendenVerfahrensvon großerBedeutung.DieZuordnungderOberflächenbeschaffenheiteninAbb.1.22erfolgte anhandderrasterelektronenmikroskopischen(REM)Bilder.
EinePappelfaser(Samenhaar)verfügtübereineäußerstglatte(levale)Faserstruktur. AlleanderenBeispieleinAbb.1.22sindstrukturiert.AnimalischeHaaresindschuppig (lepidös),währendvielepflanzlicheNaturfasernriefig(rimös)sind,wobeidieStruktur-
