Carbonfasern werden aus polymeren faserf\u00f6rmigen Vorl\u00e4ufermaterialien hergestellt, den Pr\u00e4kursoren. Gegenw\u00e4rtig basieren 95% der Carbonfasern auf dem Weltmarkt aus erd\u00f6lbasiertem Polyacrylnitril (PAN) als Pr\u00e4kursor. Am Potsdamer Fraunhofer-Institut f\u00fcr Angewandte Polymerforschung IAP werden Pr\u00e4kursoren aus nachwachsenden Rohstoffen entwickelt. Ein neuartiger Ofen, der Temperaturen von bis zu 2.900\u00b0C erzeugt, erm\u00f6glicht es nun, biobasierte Carbonfasern herzustellen, deren Eigenschaften teilweise die von herk\u00f6mmlichen PAN-basierten Carbonfasern erreichen.<\/p>\n
Carbonfasern sind das festeste und steifste Material, das derzeit in gro\u00dftechnischen Anlagen erzeugt werden kann. Dies sowie ihr geringes Gewicht machen sie heute vor allem im Leichtbau zur Verst\u00e4rkung von Kunststoffen unersetzlich. Hier vollbringen sie in stark beanspruchten Bauteilen beispielsweise in Flugzeugen, Autos, Sportger\u00e4ten oder Windkraftanlagen, wahre H\u00f6chstleistungen. Windkraftanlagen werden in Zukunft zudem immer gr\u00f6\u00dfer werden, um dem Bedarf nach alternativen Energien gerecht zu werden. Auch im Bereich der alternativen Mobilit\u00e4t sind Carbonfasern als leichtes Verst\u00e4rkungsmaterial in Autos unter anderem f\u00fcr Wasserstofftanks von gro\u00dfem Interesse. Ein weiteres wichtiges perspektivisches Anwendungsfeld der Carbonfasern ist das Bauwesen. Sogenannter Carbonbeton ist leichter als Stahlbeton und korrodiert nicht. Schon heute werden br\u00f6ckelnde Br\u00fccken damit nachhaltig saniert oder auch neu errichtet.<\/p>\n
Mit Blick auf globale Umweltaspekte w\u00e4chst im Bereich des Leichtbaus die Nachfrage nach biobasierten und nachhaltigen Hochleistungsmaterialien stetig, auch um gr\u00fcne Technologien der Zukunft zu unterst\u00fctzen. Hochleistungs-Carbonfasern auf Basis nachwachsender Rohstoffe sind derzeit jedoch praktisch nicht am Markt verf\u00fcgbar.<\/p>\n
Biobasierte Carbonfasern \u2013 Wo liegen die Herausforderungen?<\/p>\n
Auf dem Weg zur Carbonfaser, die fast ausschlie\u00dflich aus Kohlenstoff besteht, ist der Umweg \u00fcber einen formbaren Pr\u00e4kursor notwendig, denn reiner Kohlenstoff ist weder l\u00f6slich noch schmelzbar. Er l\u00e4sst sich daher nicht direkt in Faserform \u00fcberf\u00fchren. \u201eDie Herstellung von Carbonfasern aus Pr\u00e4kursoren, die auf nachwachsenden Rohstoffen wie Cellulose, Lignin oder Hemicellulose basieren, war bisher zwar prinzipiell m\u00f6glich, jedoch sind bei den \u00fcblichen Pyrolysetemperaturen von bis zu 1.600 \u00b0C die mechanischen Eigenschaften Steifigkeit und Festigkeit sehr beschr\u00e4nkt. Solche biobasierten Carbonfasern stellen keine ernstzunehmende Alternative zu den erd\u00f6lbasierten Pendants f\u00fcr Hochleistungsanwendungen dar\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Jens Erdmann, Faserspezialist am Fraunhofer IAP.<\/p>\n
Um biobasierte Carbonfasern f\u00fcr Hochleistungsanwendungen herzustellen, m\u00fcssen also einige Nachteile \u00fcberwunden werden:<\/p>\n
Die schlechte Materialausbeute. Bisher werden nur etwa 10 bis 30 Gewichtsprozent des Pr\u00e4cursors zur Carbonfaser, je nach eingesetztem biobasiertem Rohstoff. Der Rest geht bei der thermischen Umwandlung vom Pr\u00e4kursor zur Carbonfaser in Form von gasf\u00f6rmigen Abprodukten verloren.<\/p>\n
Der geringe Anteil an geordneten Kohlenstoffstrukturen in der Carbonfaser.
\nDie geringe Orientierung der geordneten Kohlenstoffstrukturen entlang der Faserachse. Sie bestimmt ma\u00dfgeblich die Eigenschaften der Faser.<\/p>\n
\u201eAm Fraunhofer IAP haben wir uns aller drei Nachteile angenommen und forschen unter anderem mit Partnern aus der Industrie erfolgreich an praktischen und \u00f6konomischen L\u00f6sungen\u201c, so Erdmann.<\/p>\n
Extreme Temperaturen f\u00fcr nur wenige Sekunden erm\u00f6glichen bessere Eigenschaften<\/p>\n
\u201eDie gr\u00f6\u00dfte Herausforderung liegt jedoch darin, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Festigkeit und Steifigkeit, der biobasierten Carbonfasern um ein Vielfaches zu steigern\u201c, so Erdmann. \u201eDaf\u00fcr haben wir einen speziellen Ultrahochtemperaturofen anfertigen lassen, in dem die biobasierten Carbonfasern zus\u00e4tzlich f\u00fcr wenige Sekunden bei Temperaturen zwischen 2.700 und 2.900 \u00b0C 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 erd\u00f6lbasierter Carbonfasern erreichen. Wir erhalten sogenannte High-Modulus-Fasern\u201c, so Erdmann.<\/p>\n
Das Arbeitsprinzip des Ultrahochtemperaturofens ist vergleichbar mit dem einer Gl\u00fchlampe, bei der durch einen filigranen Kohlenstofffaden so viel Strom geleitet wird, bis dieser so hei\u00df wird, dass er gl\u00fcht. Nur ist der Ofen um ein Vielfaches gr\u00f6\u00dfer als eine Gl\u00fchlampe. Statt des Kohlenstofffadens hat er ein massives Grafitrohr, das als Heizelement dient. Je nach angestrebter Temperatur wird ein Strom von bis zu 1.500 A hindurch geleitet bis es gl\u00fcht. Die zu behandelnde Carbonfaser wird kontinuierlich durch das Rohr gezogen und dabei gezielt verstreckt. Unerl\u00e4sslich ist hierbei eine Schutzgasatmosph\u00e4re, die sowohl den Ofen als auch die durchlaufende Faser vor thermo-oxidativer Zersetzung sch\u00fctzt.<\/p>\n
Forschen f\u00fcr die Industrie<\/p>\n
Mit dem neuen Ofen er\u00f6ffnen sich f\u00fcr das Fraunhofer IAP, und damit auch f\u00fcr dessen Kooperationspartner, viele neue M\u00f6glichkeiten, um leichte und stabile Materialien zu entwickeln. Das bisherige Forschungsangebot \u2013 Herstellung von Fasern aus der L\u00f6sung und aus der Schmelze, Modifizierung von Biopolymeren, Polymersynthese, thermische Konvertierung und Analytik sowie Material- und Strukturcharakterisierung \u2013 wird um die Herstellung und Entwicklung von biobasierten Hochleistungs-Carbonfasern erg\u00e4nzt.<\/p>\n
\u201eIn der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass es f\u00fcr Unternehmen, die Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen im Bereich der Ultrahochtemperaturbehandlung von Fasern ben\u00f6tigen, \u00e4u\u00dferst schwierig ist, Partner zu finden, die \u00fcber einen Ultrahochtemperaturofen verf\u00fcgen. Am Fraunhofer IAP ist das jetzt m\u00f6glich. Der Ofen ist ideal, um mit wenig Fasermaterial innerhalb kurzer Zeit viele Variationen von Parametern zu testen\u201c, freut sich Jens Erdmann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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