Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biobasierte Carbonfasern – Nachhaltige Hochleistung für den Leichtbau

02.10.2019

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 2900 °C erzeugt, ermöglicht es nun, biobasierte Carbonfasern herzustellen, deren Eigenschaften teilweise die von herkömmlichen PAN-basierten Carbonfasern erreichen.

Das Fraunhofer IAP auf der K 2019 in Düsseldorf: Halle 7, Stand SC01

Auf der Kunststoffmesse K in Düsseldorf stellt das Fraunhofer IAP vom 16. bis 23. Oktober 2019 verschiedene innovative Präkursormaterialien und andere polymere Hochleistungsmaterialien und Produkte vor.


Bei 2900 °C werden am Fraunhofer IAP Bio-Fasern aus Cellulose graphitisiert. Sie erreichen die mechanischen Eigenschaften erdölbasierter Carbonfasern.

© Fraunhofer IAP

Carbonfasern, auch Kohlenstofffasern oder C-Fasern genannt, sind das festeste und steifste Material, das derzeit in großtechnischen Anlagen erzeugt werden kann. Dies sowie ihr geringes Gewicht machen sie heute vor allem im Leichtbau zur Verstärkung von Kunststoffen unersetzlich.

Hier vollbringen sie in stark beanspruchten Bauteilen beispielsweise in Flugzeugen, Autos, Sportgeräten oder Windkraftanlagen, wahre Höchstleistungen. Windkraftanlagen werden in Zukunft zudem immer größer werden, um dem Bedarf nach alternativen Energien gerecht zu werden.

Auch im Bereich der alternativen Mobilität sind Carbonfasern als leichtes Verstärkungsmaterial in Autos unter anderem für Wasserstofftanks von großem Interesse. Ein weiteres wichtiges perspektivisches Anwendungsfeld der Carbonfasern ist das Bauwesen. Sogenannter Carbonbeton ist leichter als Stahlbeton und korrodiert nicht. Schon heute werden bröckelnde Brücken damit nachhaltig saniert oder auch neu errichtet.

Mit Blick auf globale Umweltaspekte wächst im Bereich des Leichtbaus die Nachfrage nach biobasierten und nachhaltigen Hochleistungsmaterialien stetig, auch um grüne Technologien der Zukunft zu unterstützen. Hochleistungs-Carbonfasern auf Basis nachwachsender Rohstoffe sind derzeit jedoch praktisch nicht am Markt verfügbar.

Biobasierte Carbonfasern – Wo liegen die Herausforderungen?

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 1600 °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 2700 und 2900 °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 ist 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 1500 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.

Forschen für die Industrie

Mit dem neuen Ofen eröffnen sich für das Fraunhofer IAP, und damit auch für dessen Kooperationspartner, viele neue Möglichkeiten, 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 optimal 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.


WIR MACHEN POLYMERE FIT FÜR DIE ZUKUNFT

Am Fraunhofer IAP in Potsdam entwickeln wir biobasierte und synthetische Polymere, die effizient, intelligent und nachhaltig sind – vom Labor bis in den industrienahen Maßstab.

Die Anwendungen sind vielfältig: Bio-Carbonfasern, Materialien für den Leichtbau, biobasierte Verpackungen, Leuchtstoffe für Displays, LKW-Reifen mit weniger Abrieb, bioabbaubare Knochenschienen, künstliche Augenhornhäute und vieles mehr.

Weitere Informationen:

https://www.iap.fraunhofer.de/de/Pressemitteilungen/2019/biobasierte-carbonfaser...

Dr. Sandra Mehlhase | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Messenachrichten:

nachricht Augmented-Reality-System erleichtert die manuelle Herstellung von Produkten aus Faserverbundmaterialien
04.03.2020 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

nachricht Modulares Fertigungskonzept für Bipolar-Batterien
02.03.2020 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Messenachrichten >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

Vor ziemlich genau einem Jahr ist das Belle II-Experiment angelaufen. Jetzt veröffentlicht das renommierte Journal Physical Review Letters die ersten Resultate des Detektors. Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Teilchen im Zusammenhang mit der Dunklen Materie, die nach heutigem Kenntnisstand etwa 25 Prozent des Universums ausmacht.

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der...

Im Focus: Belle II yields the first results: In search of the Z′ boson

The Belle II experiment has been collecting data from physical measurements for about one year. After several years of rebuilding work, both the SuperKEKB electron–positron accelerator and the Belle II detector have been improved compared with their predecessors in order to achieve a 40-fold higher data rate.

Scientists at 12 institutes in Germany are involved in constructing and operating the detector, developing evaluation algorithms, and analyzing the data.

Im Focus: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Im Focus: When ions rattle their cage

Electrolytes play a key role in many areas: They are crucial for the storage of energy in our body as well as in batteries. In order to release energy, ions - charged atoms - must move in a liquid such as water. Until now the precise mechanism by which they move through the atoms and molecules of the electrolyte has, however, remained largely unknown. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now shown that the electrical resistance of an electrolyte, which is determined by the motion of ions, can be traced back to microscopic vibrations of these dissolved ions.

In chemistry, common table salt is also known as sodium chloride. If this salt is dissolved in water, sodium and chloride atoms dissolve as positively or...

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zacken in der Viruskrone

07.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Auf der Suche nach neuen Antibiotika

07.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

07.04.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics