Kostengünstig zu leistungsfähigeren und umweltfreundlicheren Kohlenstofffasern
Trotz des typischen Durchmessers von nur 5 bis 10 Mikrometern haben Kohlenstofffasern viele erwünschte Eigenschaften wie hohe Steifigkeit und Festigkeit, verbunden mit geringem Gewicht und hoher Toleranz gegenüber Temperaturen. Deshalb erwecken sie das Interesse von Luft- und Raumfahrt, Bauingenieurwesen und Militärindustrie. Allerdings bleiben Kohlenstofffasern im Vergleich zu anderen Alternativen teuer, und beim Fertigungsprozess hat man mit erheblichen Herausforderungen zu kämpfen, etwa der Tatsache, dass das bei 90 % aller Kohlenstofffasern als Vorstufe eingesetzte Polymerharz Polyacrylnitril (PAN) Sicherheits- und Umweltprobleme aufwirft. Das EU-finanzierte Projekt NEWSPEC (New cost-effective and sustainable polyethylene based carbon fibres for volume market applications) erkundete die Eigenschaften von Polyethylen (PE) als Vorprodukt für eine kostengünstige Fertigung von Kohlenstofffasern. Das Team konzipierte, entwickelte und erprobte Prototypen zur kontinuierlichen Verarbeitung von Kohlenstofffasern. Dazu zählten eine Schmelzspinnausrüstung zur semiindustriellen Herstellung von PE-Fasern, Gasphasen-Schwefelungsanlagen, Doppelpunkt-Plasmaanlagen zur Oberflächenfunktionalisierung der Kohlenstofffasern sowie eine Fern-Ramansonde zur In-line-Überwachung von deren mechanischen Eigenschaften. Einführung von innovativen Bearbeitungsverfahren Dr. Matteo Falasconi, NEWSPEC-Projektkoordinator bei der Warrant Group EFD, erklärt das Interesse von NEWSPEC an der Erforschung von PE als Vorstufe von Kohlenstofffasern folgendermaßen: „Es zeigt interessante technische Eigenschaften wie etwa eine hohe Kohlenstoffausbeute und die Eignung zur Fertigung von Kohlenstofffasern mittlerer Leistung. Zudem ist es relativ flexibel und einfach sowie zu sehr wettbewerbsfähigen Kosten von rund zwei Euro pro Kilogramm zu bearbeiten. Verglichen mit PAN als Vorläufer bedeutet das eine Kostenersparnis von bis zu 70 %.“ Nach Tests und der Abschätzung von ölbasiertem und recyceltem PE fand man im Rahmen des Projekts heraus, dass durch Dehydrierung von Bioethanol zu Ethylen und folgender Polymerisation zu PE gewonnenes Bio-PE erhebliche Vorteile zu bieten hat. Es steht als Nebenprodukt einjähriger Nahrungspflanzen in ausreichender Menge zur Verfügung, ist von guter Reinheit und verbraucht im Vergleich zu petrochemischen Alternativen weniger Energie (ca. 70 %). In entscheidender Weise ist es außerdem nachhaltig, erneuerbar und umweltfreundlich. Mit der Produktion von 1 kg Bio-PE werden 2,5 kg CO2 aus der Atmosphäre abgeschieden. Um die PE-Polymere zur Umwandlung in Kohlenstofffasern vorzubereiten, durchlaufen sie einen Stabilisierungsprozess, der sie für die Hochtemperaturfertigung festigt. NEWSPEC führte ein originelles Trockenverfahren unter Einsatz von festem elementaren Schwefel, unterstützt durch Elektronenstrahlhärten ein, bei dem Heteroatome in die Vorstufe eingebracht werden, um den üblichen nassen (sauren) Prozess zu ersetzen, der mit Sicherheits- und Umweltbedenken verbunden ist. Dr. Falasconi erläutert jedoch dazu: „Dieses innovative Gasphasenschwefelungsverfahren wurde noch niemals zuvor im Pilotmaßstab erprobt, und daher bestand unsere Herausforderung darin, die Ausrüstung zur Stabilisierung und Karbonisierung von PE-Vorstufen zu konzipieren und zu entwickeln. Das ist uns gelungen. Die Anlage haben wird ‚SULFI‘ genannt.“ NEWSPEC reduzierte außerdem die Graphitierung bzw. die Temperatur, bei der das stabilisierte PE-Polymer beginnt, sich in die kristalline Kohlenstoffstruktur umzuwandeln. Dazu wurden Nano-Agenten (z. B. Zellulosenanokristalle) in die Polymermatrix eingebunden. Damit Kohlenstofffasern zu guten Materialverbundwerkstoffen werden, durchlaufen sie zudem dem sogenannten Prozess der Oberflächenfunktionalisierung, der ein wesentlicher Schritt ist, um die Kompatibilität der Fasern mit verschiedenen Harzen zu verbessern. NEWSPEC griff dabei auf die Atmosphärendruckplasmatechnik zurück, die sich als umweltfreundlich, flexibel (für alle Typen chemischer Gruppen geeignet) und für eine kontinuierliche Produktion vom Beginn bis zum Ende geeignet erwies. Nachhaltigkeitsvorteile für viele Industriezweige NEWSPEC hat auf seine Fertigungs- und Leistungsinnovationen sowohl eine Lebenszykluskostenrechnung als auch eine Ökobilanz angewandt. Man fand mit veränderter Vorstufe starke Beweise für weniger Umweltschäden. Die Ökobilanz wies überdies einen positiven Effekt der Einführung der Atmosphärendruckplasmatechnik zur Oberflächenbehandlung bis hin zu einer Reduzierung der Umweltbelastung um 5 % auf. Dr. Falasconi fasst zusammen: „Die Polyethylen-Kohlenstofffasern könnten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis gegenüber jedem anderen Vorläufer bieten, der derzeit erforscht wird. Neben dem zivilen und dem industriellen Infrastruktursektor wird bis 2020 der Einsatz von Kohlenstofffasern für effizientere Windkraftanlagen-Rotorblätter, insbesondere im Offshore-Bereich, der wichtigste und größte Anwendungsbereich sein. Auch die Nachrüstung bereits installierter (kleinerer) Turbinen ist für die Energieversorgungsunternehmen von beträchtlichem Interesse.
Schlüsselbegriffe
NEWSPEC, Kohlenstofffaser, Stabilisierung, Karbonisierung, Verbundwerkstoffe, Polymerharz, Vorstufe, Prototyp, auf biologischer Basis, Nano, Herstellung, Werkstoffe, Materialien
