Fraunhofer IAP: Biobasierte Carbonfasern

Carbonfasern werden aus polymeren faserförmigen Vorläufermaterialien hergestellt, den Präkursoren. Gegenwärtig basieren 95 Prozent der Carbonfasern auf dem Weltmarkt aus erdölbasiertem Polyacrylnitril (PAN) als Präkursor. Am Potsdamer Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP werden Präkursoren aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt. Ein neuartiger Ofen, der Temperaturen von bis zu 2.900°C erzeugt, soll es nun ermöglichen, biobasierte Carbonfasern herzustellen, deren Eigenschaften teilweise die von herkömmlichen PAN-basierten Carbonfasern erreichen. Auf der K 2019 stellt das Fraunhofer IAP verschiedene innovative Präkursormaterialien und andere polymere Hochleistungsmaterialien und Produkte vor.

Auf dem Weg zur Carbonfaser, die fast ausschließlich aus Kohlenstoff besteht, ist der Umweg über einen formbaren Präkursor notwendig, denn reiner Kohlenstoff ist weder löslich noch schmelzbar. Er lässt sich daher nicht direkt in Faserform überführen. "Die Herstellung von Carbonfasern aus Präkursoren, die auf nachwachsenden Rohstoffen wie Cellulose, Lignin oder Hemicellulose basieren, war bisher zwar prinzipiell möglich, jedoch sind bei den üblichen Pyrolysetemperaturen von bis zu 1.600°C die mechanischen Eigenschaften Steifigkeit und Festigkeit sehr beschränkt. Solche biobasierten Carbonfasern stellen keine ernstzunehmende Alternative zu den erdölbasierten Pendants für Hochleistungsanwendungen dar", erklärt Dr. Jens Erdmann, Faserspezialist am Fraunhofer IAP.

Um biobasierte Carbonfasern für Hochleistungsanwendungen herzustellen, müssen also einige Nachteile überwunden werden:

1. Die schlechte Materialausbeute. Bisher werden nur etwa 10 bis 30 Gewichtsprozent des Präcursors zur Carbonfaser, je nach eingesetztem biobasiertem Rohstoff. Der Rest geht bei der thermischen Umwandlung vom Präkursor zur Carbonfaser in Form von gasförmigen Abprodukten verloren.

2. Der geringe Anteil an geordneten Kohlenstoffstrukturen in der Carbonfaser.

3. Die geringe Orientierung der geordneten Kohlenstoffstrukturen entlang der Faserachse. Sie bestimmt maßgeblich die Eigenschaften der Faser.

"Am Fraunhofer IAP haben wir uns aller drei Nachteile angenommen und forschen unter anderem mit Partnern aus der Industrie erfolgreich an praktischen und ökonomischen Lösungen", so Erdmann.

Extreme Temperaturen für nur wenige Sekunden ermöglichen bessere Eigenschaften
"Die größte Herausforderung liegt jedoch darin, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Festigkeit und Steifigkeit, der biobasierten Carbonfasern um ein Vielfaches zu steigern", so Erdmann. "Dafür haben wir einen speziellen Ultrahochtemperaturofen anfertigen lassen, in dem die biobasierten Carbonfasern zusätzlich für wenige Sekunden bei Temperaturen zwischen 2.700°C und 2.900°C thermisch nachbehandelt werden. In diesem Temperaturbereich lassen sich die Kohlenstoffstrukturen in der Faser durch Verstrecken so anordnen, dass sie in Richtung der Faserachse orientiert sind. Das macht die Fasern deutlich fester und steifer und sie erhalten mechanische Eigenschaften, die das Niveau erdölbasierter Carbonfasern erreichen. Wir erhalten sogenannte High-Modulus-Fasern", so Erdmann.

Das Arbeitsprinzip des Ultrahochtemperaturofens sei vergleichbar mit dem einer Glühlampe, bei der durch einen filigranen Kohlenstofffaden so viel Strom geleitet wird, bis dieser so heiß wird, dass er glüht. Nur ist der Ofen um ein Vielfaches größer als eine Glühlampe. Statt des Kohlenstofffadens hat er ein massives Grafitrohr, das als Heizelement dient. Je nach angestrebter Temperatur wird ein Strom von bis zu 1.500 Ampere hindurch geleitet bis es glüht. Die zu behandelnde Carbonfaser wird kontinuierlich durch das Rohr gezogen und dabei gezielt verstreckt. Unerlässlich ist hierbei eine Schutzgasatmosphäre, die sowohl den Ofen als auch die durchlaufende Faser vor thermo-oxidativer Zersetzung schützt.

Mit dem neuen Ofen sollen sich für das Fraunhofer IAP, und damit auch für dessen Kooperationspartner, viele neue Möglichkeiten eröffnen, um leichte und stabile Materialien zu entwickeln. Das bisherige Forschungsangebot - Herstellung von Fasern aus der Lösung und aus der Schmelze, Modifizierung von Biopolymeren, Polymersynthese, thermische Konvertierung und Analytik sowie Material- und Strukturcharakterisierung - wird um die Herstellung und Entwicklung von biobasierten Hochleistungs-Carbonfasern ergänzt.

"In der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass es für Unternehmen, die Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen im Bereich der Ultrahochtemperaturbehandlung von Fasern benötigen, äußerst schwierig ist, Partner zu finden, die über einen Ultrahochtemperaturofen verfügen. Am Fraunhofer IAP ist das jetzt möglich. Der Ofen ist ideal, um mit wenig Fasermaterial innerhalb kurzer Zeit viele Variationen von Parametern zu testen", freut sich Jens Erdmann.

K 2019, 16.-23.10.2019, Düsseldorf, Halle 7, Stand SC01

Weitere Informationen: www.iap.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam-Golm

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