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Kohlenstofffasern aus Biomasse

Die steigende Nachfrage nach leichten, leistungsfähigen Verbundwerkstoffen treibt die Entwicklung im Kohlenstofffasersektor voran. Europäische Forscher konnten innovative, kostengünstige Vorläuferprodukte für Kohlenstofffasern aus erneuerbarer Biomasse herstellen, um diesen wachsenden Bedarf zu decken.
Kohlenstofffasern aus Biomasse
Bei etwa 80 % der derzeit auf dem Markt befindlichen Kohlenstofffasern dient Polyacrylnitril (PAN) als Rohstoff, da es im Vergleich zu pechbasierten Kohlenstofffasern weitaus bessere Eigenschaften vorzuweisen hat. Die aus PAN hergestellten Kohlenstofffasern sind jedoch teuer, was deren Einsatz auf die Luftfahrt, das Militär und weitere Sektoren beschränkt, die Hochleistungswerkstoffe benötigen und daher hohe Materialkosten in Kauf nehmen.

Das EU-finanzierte Projekt CARBOPREC hat sich dieser Herausforderung angenommen und kostengünstige Vorläuferprodukte für nanostrukturierte Kohlenstofffasern aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt, die in Europa reichlich vorhanden sind. „Lignin und Zellulose, verstärkt durch Kohlenstoffnanoröhren, werden zur Herstellung von kostengünstigen Kohlenstofffasern mit mittlerer Leistung für Massenmarktanwendungen wie etwa Fahrzeuge und Rotorblätter für Windkraftanlagen eingesetzt“, erläutert Dr. Célia Mercader, Forscherin bei CANOE, einem Forschungs- und Entwicklungszentrum, das sich auf die Entwicklung von Fertig- und Halbfertigerzeugnissen im Bereich Verbundwerkstoffe und moderne Materialien spezialisiert hat.

Verbesserte Eigenschaften

Neben Zellulose ist Lignin das weltweit am häufigsten vorkommende pflanzliche Polymer, das in nahezu allen Zellwänden von Trockenpflanzen zu finden ist. Durch den Einsatz organischer Lösungsmittel zum Abbau von Weichholz, das anschließend in einer Mischung mit thermoplastischen Polymeren zu Fasern auf Ligninbasis gesponnen wurde, erhielten die Projektpartner hochreines Lignin.

Zwecks Herstellung von Endlosfasern untersuchten die Forscher zwei Weißfaserverfahren. Beim ersten handelt es sich um ein Nassspinnverfahren für in Phosphorsäure gelöste Zellulose, beim zweiten um Schmelzspinnen durch Extrusion für das Lignin. Untersuchungen des Karbonisierungsverfahrens und der verschiedenen Funktionalisierungsschritte resultierten in einer gesteigerten Karbonisierungsausbeute sowie Wertschöpfung durch die in den angestrebten Endanwendungen entwickelten Kohlenstofffasern.

Die aus dem Zellulosevorläufer gewonnenen Kohlenstofffasern wiesen die gewünschten mechanischen Eigenschaften auf, so dass sie sich für die zugehörigen Prozesse wie das Nassspinnen von Zellulose und die Karbonisierung eignen. Das Team entwickelte einen neuen Reaktor, eine Spinnpumpe und ein Spinnpaket zum Zellstoffspinnen, das in CANOE-Anlagen installiert wurde, wo es die Auflösung der Zellulose in Phosphorsäure mit Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht.

Kostengünstige Verbundwerkstoffe

Für das Karbonisierungsverfahren und das zur Herstellung von Demonstratorteilen, etwa eines Rotorblatts für eine Windkraftanlage unter Einsatz von Kohlenstofffasern aus Zellulose und thermoplastischem Harz verwendete karbonisierte Gewebe wurde ein Patent angemeldet. „Dieses Demonstrationsbeispiel zeigte im Vergleich zum gleichen Teil aus ex-PAN-Kohlenstofffaser gutes mechanisches Verhalten“, sagt Dr. Mercader. Ein weiteres Schlüsselresultat von CARBOPREC war die vollständige Modellierung der Lebenszyklusanalyse.

Hochreine Formulierungen auf Zellulose- und Ligninbasis ermöglichten eine homogene Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren im Polymer. Durch eine Optimierung des Karbonisierungsverfahrens konnte die Ausbeute von Zellulose um bis zu 25 % und von Lignin um bis zu 40 % gesteigert werden. Mit dem Ersatz des Oxidationsschritts durch den Plasmabehandlungsschritt vereinfachte man den Herstellungsprozess und verbesserte man die Zugfestigkeit der Kohlenstofffasern.

CARBOPREC hat die kommerzielle Nutzung von FuE-Ergebnissen verstärkt, die auf vielen Gebieten, etwa bei Fahrzeugen, Nanoverbundstoffen, Gebäuden, im Energiebereich, Materialien und Textilien auf biologischer Basis, Einsatz finden können. „So wird man der Industrie Hilfestellung dabei leisten können, die neuen EU-Verordnungen über Fahrzeugemissionen einzuhalten, indem kostengünstige Verbundteile zur Senkung des Gewichts von Autos eingesetzt werden, und es werden längere Rotorblätter für Windkraftanlagen realisierbar, die sowohl leicht als auch steif sind und dadurch mehr Energie gewinnen“, betont Dr. Mercader.

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

CARBOPREC, Kohlenstofffaser, Karbonisierung, Polyacrylnitril (PAN), Nanoröhren
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