Kohlenstofffaser während der Karbonisierung im Kaltwandreaktor mit Faserdirektheizung
Fraunhofer IWS Dresden
Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS und der TU Dresden haben eigenen Angaben zufolge eine neue energieeffiziente Verfahrenskette zur Herstellung von Kohlenstofffasern entwickelt. Kernpunkt sei die Umwandlung von Präkursor-PAN-Fasern durch Stabilisierung, Karbonisierung und Graphitisierung. Damit könnte die Herstellung von Kohlenstofffasern künftig deutlich preiswerter werden.
Kohlenstofffasern gelten dem Dresdner Wissenschaftlern zufolge wegen ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften weltweit als der leistungsstärkste Faserwerkstoff für die Verstärkung von Matrices im Leichtbau. Hochrechnungen des Carbon Composites e.V. prognostizieren einen Anstieg des globalen Kohlenstofffaserbedarfs auf über 115.000 Tonnen bei Wachstumsraten von ungefähr 12 Prozent pro Jahr bis zum Jahre 2021. Allerdings sind Faserverbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern aufgrund des aufwendigen Herstellungsprozesses sehr teuer — im Vergleich zu metallischen Leichtbaumaterialien. Um die Kosten zu senken, müssen laut den Experten aus Dresden zum einen das Präkursormaterial und zum anderen die Herstellungskosten verringert werden. Beispielsweise sollte der Preis für 24k-Filamentgarne von heute 18 Euro pro Kilogramm auf 10 Euro pro Kilogramm im Bereich der Automobilanwendungen sinken, wobei etwa ein Drittel des Preises aus den Kosten für die thermischen Prozesse (Stabilisierung und Karbonisierung) resultiere.
Vor diesem Hintergrund werden am Fraunhofer IWS Dresden unter anderem 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, berichten die Forscher. Als alternative Heizvorrichtung würden eine lineare Niederdruckplasmaquelle und ein Kaltwandreaktor mit Faserdirektheizung verwendet. Mit diesen neuen Vorrichtungen und den damit entwickelten Verfahren seien Kohlenstofffasern hergestellt worden, die vergleichbare Eigenschaften wie die konventionell hergestellten Kohlenstofffasern aufweisen. Diese Ergebnisse sollen im nächsten Schritt auf verschiedene kommerziell erhältliche Präkursormaterialien übertragen und die Prozessparameter für jedes Präkursormaterial optimiert werden.
Das Verfahren und die Vorrichtungen sind zum Patent angemeldet.