Einfluss des Rezyklatanteils auf das Ermüdungsverhalten von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten

Stefan Eder

Einfluss des Rezyklatanteils auf das Ermüdungsverhalten von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten

Translated title of the contribution: Influence of Recycled Content on the Fatigue Behavior of Discontinuous Fiber-Reinforced Thermoplastics

Stefan Eder

Chair of Materials Science and Testing of Polymers (210)

Research output: Thesis › Master's Thesis

Abstract

Short-fiber-reinforced plastics are becoming increasingly important as structural materials in lightweight construction, particularly in the automotive sector. In addition to the advantages of weight reduction and CO2 savings, the circular economy is coming into focus as demands for the use of recycled materials increase. This study investigates the influence of post-consumer recycled (PCR) content on the fatigue behavior of short-fiber-reinforced thermoplastics. A 40 wt.-% short-glass-fiber-reinforced polypropylene with two different levels of recycled content from consumer waste was examined: 10 % and 40 % PCR content. For this purpose, test specimens were milled from injection-molded plates both along and across the flow direction. Tensile and fatigue tests were conducted for longitudinal and transverse fiber orientations. Subsequently, the fracture surfaces were examined fractographically. The results show that the elastic modulus and tensile strength are halved when the orientation changes from longitudinal to transverse, with transverse specimens exhibiting more brittle material behavior. As the PCR content increases, the mechanical properties elastic modulus and tensile strength decrease, while the elongation at break increases. In terms of fatigue behavior, there is a 14 % reduction in the allowable stress amplitude at 10^6 cycles from 10 % to 40 % PCR. The slopes of the SN-curves are flatter for longitudinal fiber orientation than for specimens with transverse orientation. Similarly, the allowable stress amplitudes for transverse fiber orientation were lower compared to longitudinal orientation. The influence of mean stress was found to be greater in the transverse specimens. Fractographic analysis indicates differences in the matrix of 10 % PCR and 40 % PCR, but no obvious recycled material inclusions were observed. In addition, similar fracture mechanisms were observed at different R-ratios. These findings enable more reliable design of plastic components containing PCR content for technical applications and contribute to the establishment of a closed-loop circular economy.

Translated title of the contribution	Influence of Recycled Content on the Fatigue Behavior of Discontinuous Fiber-Reinforced Thermoplastics
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Pinter, Gerald, Supervisor (internal)
Award date	26 Jun 2026
Publication status	Published - 2026

Bibliographical note

embargoed until 15-04-2031

UN SDGs

This output contributes to the following UN Sustainable Development Goals (SDGs)

SDG 8 Decent Work and Economic Growth
SDG 12 Responsible Consumption and Production

Keywords

Fatigue Behavior
Recyclate
Short Glass Fiber
Fiber-Reinforced Thermoplastics
Polypropylene
Post-Consumer Recycling

Cite this

@mastersthesis{dd6dab38993c411b990f724d25495bf5,

title = "Einfluss des Rezyklatanteils auf das Erm{\"u}dungsverhalten von diskontinuierlich faserverst{\"a}rkten Thermoplasten",

abstract = "Kurzfaserverst{\"a}rkte Kunststoffe gewinnen als Konstruktionswerkstoffe im Leichtbau zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Automotive Sektor. Neben den Vorteilen hinsichtlich Massenreduktion und CO2-Einsparung r{\"u}ckt die Kreislaufwirtschaft mit steigenden Anforderungen an Rezyklateinsatz in den Fokus. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Post-Consumer Rezyklat (PCR) Anteilen auf das Erm{\"u}dungsverhalten von kurzfaserverst{\"a}rkten Thermoplasten. Es wurde ein 40 Ma.-\% kurzglasfaserverst{\"a}rktes Polypropylen mit zwei unterschiedlichen Rezyklatanteilen aus Verbraucherabf{\"a}llen untersucht: 10 \% und 40 \% PCR-Anteil. Dazu wurden aus spritzgegossenen Platten Pr{\"u}fk{\"o}rper l{\"a}ngs und quer zur Flie{\ss}richtung herausgefr{\"a}st. Es wurden Zug- und Erm{\"u}dungsversuche f{\"u}r die longitudinale und die transversale Faserorientierungen durchgef{\"u}hrt. Im Anschluss wurden die Bruchfl{\"a}chen fraktografisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich E-Modul und Zugfestigkeit von longitudinaler zu transversaler Orientierung halbieren, wobei transversale Proben spr{\"o}deres Materialverhalten aufweisen. Mit steigendem PCR-Gehalt nehmen die mechanischen Kennwerte E-Modul und Zugfestigkeit ab, w{\"a}hrend die Bruchdehnung zunimmt. Im Erm{\"u}dungsverhalten zeigt sich eine rund 14 \% Reduktion der tolerierten Spannungsamplitude bei 10\textasciicircum{}6 Zyklen von 10 \% auf 40 \% PCR. Die Neigungen der W{\"o}hlerlinien sind bei der longitudinalen Faserorientierung flacher als bei transversaler. Ebenso waren die ertragbaren Spannungsamplituden f{\"u}r die transversale Faserorientierung im Vergleich zur longitudinalen geringer. Der Mittelspannungseinfluss erwies sich bei den transversalen Proben als gr{\"o}{\ss}er. Die fraktografische Analyse deutet auf Unterschiede in der Matrix von 10 \% PCR und 40 \% PCR hin, offensichtliche Rezyklateinschl{\"u}sse konnten jedoch nicht beobachtet werden. Zudem zeigten sich bei verschiedenen R-Verh{\"a}ltnissen {\"a}hnliche Bruchmechanismen. Diese Erkenntnisse erm{\"o}glichen eine zuverl{\"a}ssigere Auslegung von Kunststoffbauteilen mit PCR-Anteilen in technischen Anwendungen und tragen zur Etablierung einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft bei.",

keywords = "Erm{\"u}dungsverhalten, Rezyklat, Kurzglasfaser, Faserverst{\"a}rkte Thermoplaste, Polypropylen, Post-Consumer-Recycling, Fatigue Behavior, Recyclate, Short Glass Fiber, Fiber-Reinforced Thermoplastics, Polypropylene, Post-Consumer Recycling",

author = "Stefan Eder",

note = "gesperrt bis 15-04-2031",

year = "2026",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - THES

T1 - Einfluss des Rezyklatanteils auf das Ermüdungsverhalten von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten

AU - Eder, Stefan

N1 - gesperrt bis 15-04-2031

PY - 2026

Y1 - 2026

N2 - Kurzfaserverstärkte Kunststoffe gewinnen als Konstruktionswerkstoffe im Leichtbau zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Automotive Sektor. Neben den Vorteilen hinsichtlich Massenreduktion und CO2-Einsparung rückt die Kreislaufwirtschaft mit steigenden Anforderungen an Rezyklateinsatz in den Fokus. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Post-Consumer Rezyklat (PCR) Anteilen auf das Ermüdungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten. Es wurde ein 40 Ma.-% kurzglasfaserverstärktes Polypropylen mit zwei unterschiedlichen Rezyklatanteilen aus Verbraucherabfällen untersucht: 10 % und 40 % PCR-Anteil. Dazu wurden aus spritzgegossenen Platten Prüfkörper längs und quer zur Fließrichtung herausgefräst. Es wurden Zug- und Ermüdungsversuche für die longitudinale und die transversale Faserorientierungen durchgeführt. Im Anschluss wurden die Bruchflächen fraktografisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich E-Modul und Zugfestigkeit von longitudinaler zu transversaler Orientierung halbieren, wobei transversale Proben spröderes Materialverhalten aufweisen. Mit steigendem PCR-Gehalt nehmen die mechanischen Kennwerte E-Modul und Zugfestigkeit ab, während die Bruchdehnung zunimmt. Im Ermüdungsverhalten zeigt sich eine rund 14 % Reduktion der tolerierten Spannungsamplitude bei 10^6 Zyklen von 10 % auf 40 % PCR. Die Neigungen der Wöhlerlinien sind bei der longitudinalen Faserorientierung flacher als bei transversaler. Ebenso waren die ertragbaren Spannungsamplituden für die transversale Faserorientierung im Vergleich zur longitudinalen geringer. Der Mittelspannungseinfluss erwies sich bei den transversalen Proben als größer. Die fraktografische Analyse deutet auf Unterschiede in der Matrix von 10 % PCR und 40 % PCR hin, offensichtliche Rezyklateinschlüsse konnten jedoch nicht beobachtet werden. Zudem zeigten sich bei verschiedenen R-Verhältnissen ähnliche Bruchmechanismen. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine zuverlässigere Auslegung von Kunststoffbauteilen mit PCR-Anteilen in technischen Anwendungen und tragen zur Etablierung einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft bei.

AB - Kurzfaserverstärkte Kunststoffe gewinnen als Konstruktionswerkstoffe im Leichtbau zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Automotive Sektor. Neben den Vorteilen hinsichtlich Massenreduktion und CO2-Einsparung rückt die Kreislaufwirtschaft mit steigenden Anforderungen an Rezyklateinsatz in den Fokus. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Post-Consumer Rezyklat (PCR) Anteilen auf das Ermüdungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten. Es wurde ein 40 Ma.-% kurzglasfaserverstärktes Polypropylen mit zwei unterschiedlichen Rezyklatanteilen aus Verbraucherabfällen untersucht: 10 % und 40 % PCR-Anteil. Dazu wurden aus spritzgegossenen Platten Prüfkörper längs und quer zur Fließrichtung herausgefräst. Es wurden Zug- und Ermüdungsversuche für die longitudinale und die transversale Faserorientierungen durchgeführt. Im Anschluss wurden die Bruchflächen fraktografisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich E-Modul und Zugfestigkeit von longitudinaler zu transversaler Orientierung halbieren, wobei transversale Proben spröderes Materialverhalten aufweisen. Mit steigendem PCR-Gehalt nehmen die mechanischen Kennwerte E-Modul und Zugfestigkeit ab, während die Bruchdehnung zunimmt. Im Ermüdungsverhalten zeigt sich eine rund 14 % Reduktion der tolerierten Spannungsamplitude bei 10^6 Zyklen von 10 % auf 40 % PCR. Die Neigungen der Wöhlerlinien sind bei der longitudinalen Faserorientierung flacher als bei transversaler. Ebenso waren die ertragbaren Spannungsamplituden für die transversale Faserorientierung im Vergleich zur longitudinalen geringer. Der Mittelspannungseinfluss erwies sich bei den transversalen Proben als größer. Die fraktografische Analyse deutet auf Unterschiede in der Matrix von 10 % PCR und 40 % PCR hin, offensichtliche Rezyklateinschlüsse konnten jedoch nicht beobachtet werden. Zudem zeigten sich bei verschiedenen R-Verhältnissen ähnliche Bruchmechanismen. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine zuverlässigere Auslegung von Kunststoffbauteilen mit PCR-Anteilen in technischen Anwendungen und tragen zur Etablierung einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft bei.

KW - Ermüdungsverhalten

KW - Rezyklat

KW - Kurzglasfaser

KW - Faserverstärkte Thermoplaste

KW - Polypropylen

KW - Post-Consumer-Recycling

KW - Fatigue Behavior

KW - Recyclate

KW - Short Glass Fiber

KW - Fiber-Reinforced Thermoplastics

KW - Polypropylene

KW - Post-Consumer Recycling

M3 - Masterarbeit

ER -