13.10.2017

LIBRE – Ligninbasierte Kohlenstofffasern für ...

Seit der Entwicklung der ersten Automobile und Flugzeuge haben sich die verwendeten Werkstoffe stark weiterentwickelt, um den Anforderungen, die sich aus speziellen Anwendungen ergeben, besser entsprechen zu können. Durch neue Technologien und Materialien konnten Werkstoffe entwickelt werden, die Gewicht und Performance von Fahr- und Flugzeugen immer weiter optimieren. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe haben dabei sowohl im Automobilbereich wie auch in der Luft- und Raumfahrt eine wichtige Rolle eingenommen.

Nach Schätzungen des Kompetenznetzwerkes Carbon Composites e.V. (CCeV) steigt der globale Bedarf an Kohlenstofffasern bis zum Jahre 2020 auf etwa 130.000 t, nicht zuletzt durch die EURO6-Richtlinie zur Verringerung des CO2-Ausstoßes von Automobilen. Karbonfasern, welche aus dem Ausgangsmaterial (Precursor) Polyacrylnitril (PAN) durch Verstrecken und anschließendem Karbonisieren und Graphitieren hergestellt werden, werden hauptsächlich für hochfeste Strukturbauteile verwendet. Aufgrund der hohen Temperaturen, die für diese Schritte nötig sind, werden zur Produktion solcher Fasern allerdings erhebliche Energiemengen benötigt. Weiterhin handelt es sich bei dem hauptsächlich verwendeten PAN-Precursor um ein erdölbasiertes Material, dessen Vorratsmenge eine natürliche Grenze aufweist.

Als alternative Precursormaterialien können zum Beispiel Pech (Pitch), Cellulose und Lignin verwendet werden, wobei bisher lediglich Pitch-Fasern kommerziell genutzt werden. Cellulose und Lignin sind die zwei am häufigsten vorkommenden Biopolymere, welche als Bestandteile von Pflanzen zu den nachwachsenden Rohstoffen zählen. Während es für Cellulose bereits viele wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten in der Textilindustrie gibt, handelt es sich bei Lignin häufig um ein Beiprodukt der Papierindustrie, welches bisher meist energetisch genutzt wird. Ein weiterer Vorteil von Lignin gegenüber Cellulose ist der höhere Gehalt an Kohlenstoffatomen bezogen auf das Molekülgewicht. Durch die Verarbeitung von Lignin zu Kohlenstofffasern wird eine stoffliche Nutzung  gewährleistet. Eine der Herausforderungen bei der Verarbeitung von Lignin besteht jedoch im Spinnprozess, da sich reines Lignin sehr spröde verhält.

Gegenstand des Horizon 2020-Projektes „LIBRE“, welches im November 2016 mit einer Laufzeit von vier Jahren gestartet wurde, ist die Nutzung verschiedener Lignine als Precursor für Karbonfasern. Um die Spinneigenschaften zu verbessern, werden an der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH verschiedene Blends aus Ligninen mit weiteren (Bio-) Polymeren hergestellt, deren Verarbeitbarkeit im Hinblick auf die Prozessanforderungen bewertet wird. Dabei werden u.a. thermische, rheologische und chemische Eigenschaften der Blends ermittelt und deren Beeinflussung durch Polymertypen und -gewichtsanteile bestimmt. Mittels hochauflösender mikroskopischer Aufnahmen können beispielsweise Phasen visualisiert und deren chemische Zusammensetzung analysiert werden, die die mechanischen Eigenschaften der Blends und deren Verarbeitbarkeit zu Kohlenstofffasern maßgeblich definieren.

Die IVW GmbH konnte in den letzten Jahren ein hohes Maß an Kompetenz im Bereich der Thermoplastverarbeitung sowie Polymerverblendung entwickeln und ist somit ein wichtiger Partner im „LIBRE“-Projekt.

Das Projekt „LIBRE – Lignin Based Carbon Fibres for Composites“ wird durch die Bio Based Industries innerhalb des EU Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms (720707) gefördert.

Weitere Informationen:
Martje Armbrecht, M.Sc.
Werkstoffwissenschaft
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0) 631/2017-239
E-Mail: martje.armbrecht(at)ivw.uni-kl.de