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New tailor-made sizing strategies for recycled carbon fibres to improve the mechanical properties of polymeric and cementitious composites

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Ein Durchbruch beim Recycling von Kohlenstofffasern mit Vorteilen für die Industrie

Neue Verfahren für das Recycling und die Wiederverwendung von Kohlenstofffasern könnten energieintensiven Sektoren wie der Luftfahrt dabei helfen, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren und die Kreislaufwirtschaft auszubauen.

Industrielle Technologien

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere sind Verbundwerkstoffe, die in zahlreichen anspruchsvollen technischen Anwendungen in großem Maßstab eingesetzt werden, vor allem beim Bau von Luft- und Raumfahrzeugen. Sie werden auch in anderen Bereichen verwendet, in denen die Festigkeit und ein geringes Gewicht von großer Bedeutung sind, wie etwa der Produktion von hochwertigen Sportartikeln und Automobilteilen. „Generell sind Polymermatrizen relativ schwach“, erklärt der wissenschaftliche Leiter des Projektes CUSTOMISIZE, Marc Martín, von Leitat in Spanien. „Die Verstärkung von Polymeren durch steifere Kohlenstofffasern erhöht die Festigkeit des resultierenden Verbundwerkstoffs wesentlich, ohne das Gewicht zu beeinträchtigen.“

Herausforderung Recycling

Die Recycelbarkeit ist ein entscheidender Punkt. Mehr als 30 % aller produzierten Kohlenstofffasern enden im Verlauf des Herstellungsprozesses früher oder später als Abfall oder als Komponenten, die am Ende ihrer Lebensdauer angelangt sind. Eine Lösung für dieses Problem könnte energieintensiven Industrien wie der Luftfahrtbranche eine wesentliche ökologische und wirtschaftliche Chance eröffnen. Doch eine der bisher größten Herausforderungen dabei besteht darin, recycelte Kohlenstofffasern zu gewinnen, welche die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweisen wie neue Kohlenstofffasern. „Die Leistung eines Verbundwerkstoffs steht und fällt mit der Haftung zwischen der Wirtsmatrix und der verstärkenden Faser“, merkt Martín an. „Der verfügbare Oberflächensauerstoff beträgt bei recycelten Kohlenstofffasern im Vergleich zu neuen Fasern kaum ein Viertel – und das bedeutet wiederum weniger Haftung.“ Da die Bewältigung dieses Problems technisch so komplex ist und in der Industrie eine hohe Nachfrage nach Werkstoffen von allerhöchster Qualität herrscht, ist die Akzeptanz von recycelten Werkstoffen für anspruchsvolle Anwendungen wie den Luftfahrzeugbau in der Industrie entsprechend gering.

Vorteile für die Industrie

Um diese Herausforderungen anzugehen, konzentrierte sich das Projekt CUSTOMISIZE auf die Identifizierung und Entwicklung neuer Verfahren und Methoden, um bereits verwendete Kohlenstofffasern zurückzugewinnen. Ein weiteres Projektziel war es, die Adhäsion zwischen Kohlenstofffasern und polymeren Matrizen zu verbessern – und zwar durch eine homogene dünne Beschichtung, die während des Herstellungsprozesses auf jede einzelne Faser aufgetragen werden sollte. (Dieser Vorgang wird als Beschlichtung bezeichnet.) „Zunächst sichteten wir die aktuelle wissenschaftliche Literatur über Oberflächenbehandlungen von Kohlenstofffasern“, so Martín. „Unter Berücksichtigung des Standes der Technik entwickelten wir anschließend mehrere Schlichtverfahren für unterschiedliche Polymermatrizen.“ Als nächstes folgte die Herstellung verstärkter Verbundwerkstoffe, in denen die recycelten Kohlenstofffasern in Kombination mit den neu entwickelten Schlichtverfahren eingesetzt werden. Die recycelten Werkstoffe stammten aus zwei verschiedenen Recyclingverfahren: der Dampfwasser-Thermolyse und der Pyrolyse. Zuletzt wurden mechanische Tests an den Verbundwerkstoffen durchgeführt, um die Schlichtleistungen zu vergleichen. Das Projekt bestätigte, dass mechanische Spitzeneigenschaften bei recycelten Kohlenstofffasern nach wie vor eine Herausforderung darstellen. Doch trotz der Problempunkte wurden mehrere wichtige Entdeckungen gemacht. So zeigten bestimmte Kohlenstofffasern, die durch Pyrolyse recycelt wurden, bessere mechanische Eigenschaften als Werkstoffe, die aus der Dampf-Wasser-Thermolyse stammten. Auch hinsichtlich der Methoden zur Auftragung der Schlichte auf Kohlenstofffasern wurden Fortschritte erzielt. „Der nächste Schritt besteht darin, unsere Schlichtbehandlungen vom Labormaßstab bis zum Pilotanlagenmaßstab zu skalieren“, fügt Martín hinzu. „Das wird dabei helfen, weitere potenzielle Endanwendungen wie Armaturenbretter für Fahrzeuge und Sportartikel zu demonstrieren.“ Die Luftfahrt – eine der am rasantesten wachsenden Quellen für Treibhausgasemissionen – bleibt auch künftig der wichtigste potenzielle Markt. Der Luftfahrtsektor, in dem vor allem die Gewichtsreduzierung und Treibstoffeffizienz zählen, ist der größte Abnehmer von Kohlenstofffasern. „Im Laufe der nächsten 20 Jahre werden etwa 12 000 Luftfahrzeuge das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen“, merkt Martín an. „Es gibt derzeit kein effizientes Recycling-Verfahren für wertvolle kohlenstofffaserverstärkte Komponenten. Wir hoffen, dass die erzielten Ergebnisse und die Erfahrungen aus dem CUSTOMISIZE-Projekt künftig zu effizienteren und rentableren Verfahren für das Recycling von Kohlenstofffasern führen werden.“

Schlüsselbegriffe

CUSTOMISIZE, Kohlenstoff, Polymere, Luftfahrt, Technik, Recycelbarkeit, Luftfahrzeuge

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