Energieeffiziente Herstellung von Kohlenstofffasern

  • 14. March 2017

Niederdruckplasmaquelle und Kaltwandreaktor mit Faserdirektheizung ersetzen herkömmliche Ofenprozesse.

Dresdner Wissenschaftler des Fraunhofer IWS und der TU Dresden haben eine neue energieeffiziente Verfahrenskette zur Herstellung von Kohlenstofffasern entwickelt. Kernpunkt ist die Umwandlung von Präkursor-PAN-Fasern durch Stabilisierung, Kar­boni­sierung und Graphitisierung. Damit kann künftig die Her­stellung von Kohlen­stoff­fasern deutlich preis­werter werden.

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Abb.: Kohlenstofffaser während der Karbonisierung im Kaltwandreaktor mit Faserdirektheizung. (Bild: Fh-IWS)

Kohlenstofffasern gelten weltweit insbesondere wegen ihrer her­vorragenden mecha­nischen Eigen­schaften als der leistungs­stärkste Faser­werk­stoff für die Ver­stärkung von Matrices (z.B. Duroplaste, Thermoplaste, Beton, Keramik) im Leichtbau. Hoch­rech­nun­gen des Carbon Composites e.V. pro­gnos­tiz­ieren einen starken Anstieg des globalen Koh­len­stoff­fa­serbedarfs auf über 115 Tsd. Tonnen bei Wachstumsraten von ungefähr 12 Prozent pro Jahr bis zum Jahre 2021.

Im Vergleich zu metallischen Leichtbaumaterialien sind Faser­verbund­werk­stoffe mit Kohlen­stoff­fasern aufgrund des aufwendigen Herstellungs­prozesses sehr teuer. Um die Kosten zu senken, müssen zum einen das Präkursormaterial und zum anderen die Herstellungs­kosten verringert werden. Beispiels­weise sollte der Preis für 24k-­Fila­ment­garne von heute 18 € / kg auf 10 € / kg im Bereich der Automobil­anwendungen sinken, wobei etwa ein Drittel des Preises aus den Kosten für die thermischen Prozesse (Stabi­lisie­rung und Karbo­nisie­rung) resultiert.

Das Fraunhofer IWS beschäftigt sich seit Jahrzehnten u. a. mit den Prozessen der thermischen Oberflächen­technik sowie mit Plasmen und Laser­verfahren. Derzeit werden u. a. unterschiedliche Verfahren der Faser­direkt­heizung für die Stabi­lisie­rung, Karbo­nisie­rung und Graphi­ti­sie­rung sowie deren Kom­bination als Gesamt­prozess untersucht. Die kom­merziel­len Ofen­pro­zesse mit ihren Grenz­tempe­ratu­ren dienen dabei als Benchmark. Als alternative Heiz­vor­richtung werden eine lineare Nieder­druck­plasma­quelle und ein Kalt­wand­reaktor mit Faser­direkt­heizung verwendet. Mit diesen neuen Vorrichtungen und den damit entwickelten Ver­fahren konnten Kohlenstofffasern hergestellt werden, die ver­gleich­bare Eigen­schaften wie die konventionell her­gestell­ten Kohlen­stoff­­fasern aufweisen.

Diese her­vor­ragenden Ergebnisse werden im nächsten Schritt auf ver­schiedene kom­merziell erhältliche Präkursor­mate­ria­lien übertragen und die Prozess­parameter für jedes Prä­kursor­material optimiert.Interessierte Unter­nehmen können sich jederzeit an der Weiter­ent­wick­lung beteiligen. Verfahren und Vor­rich­tun­gen wurden als Schutz für die indus­triel­len Partner des IWS zum Patent angemeldet.

Fh-IWS / LK

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