NeuRecA - Neuartige SMC-Halbzeuge ermöglichen sinnvolles CFK-Recycling

Faserverstärkte Kunststoffe auf Basis von Kohlenstofffasern nehmen in vielen Branchen mit Leichtbauanforderungen eine Schlüsselrolle ein. Neuartige SMC-Halbzeuge ermöglichen es, diese Fasern sinnvoll zu recyceln und in einen Materialkreislauf zu integrieren.

Dies trifft in erster Linie für die Luftfahrt und Automobiltechnik, zunehmend aber auch für den Freizeit- und Sportbereich zu. Neben dem reinen Leichtbau und den bekannten ökonomischen Herausforderungen ist in den letzten Jahren der ökologische Leichtbau mit den Forderungen nach nachhaltigen Lösungen und recyclingfähigen Materialien immer stärker in den Fokus gerückt. Diese Zielsetzung kann für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) nur durch die konsequente Verfolgung einer ganzheitlichen Kreislaufwirtschaft erreicht werden. Die durchschnittlichen Wachstumsraten in der CFK verarbeitenden Industrie liegen jährlich bei 10 - 13 %. Im Jahr 2023 wird mit einem CFK-Bedarf von rund 197.000 Tonnen gerechnet. Bei der Produktion wird mit einer Abfallquote von ca. 30 % gerechnet, was einer zu recycelnden Menge von 66.000 Tonnen neuwertigen Kohlenstofffasern entspricht. Weiterhin gilt es, End-of-Life (EoL)-Bauteile unter Beibehaltung größtmöglicher mechanischer Eigenschaften zu recyceln. Diese setzen sich aus ca. 1/3 Produktionsabfällen und 2/3 End-of-Lifetime (EoL) Bauteilen zusammen.

Diese Rahmenbedingungen erfordern einen ganzheitlichen und innovativen Lösungsansatz. Bei aktuellen Recyclingprozessen werden Bauteile und Fasern meist geschreddert und anschließend der Pyrolyse zugeführt. Dies führt zu einer Einkürzung der Fasern, wodurch in der Regel meist nur noch ein „down-cycling“ statt eines effizienten Recyclings möglich ist.

Im Verbundprojekt „NeuRecA“ erfolgt daher - sowohl für Kohlenstofffaser-Produktionsabfälle (Verschnitt von CF-Textilien und Spulenreste) als auch für recycelte und aufbereitete Kohlenstofffasern aus der Pyrolyse von End of Life (EoL)-Bauteilen - eine zielgerichtete Materialentwicklung zur Wiederverwendung in neuen CFK-Anwendungen. Hierdurch kann der ökologische Fußabdruck von kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen deutlich gesenkt und die Attraktivität des Werkstoffs weiter gesteigert werden. Im Vergleich zu neuen (virginen) Kohlenstofffasern verbrauchen recycelte Kohlenstoffasern (rCF) ca. 5 – 10 % der eingesetzten Primärenergie. Im Laufe der Projektarbeit werden die Kohlenstofffasern in einem Pyrolyseprozess aufbereitet. Bei diesem Prozess handelt es sich um einen thermisch-chemischen Recyclingprozess unter Inertgasatmosphäre, bei dem die Matrix in eine Gasphase übergeführt wird und die Kohlenstofffasern ohne äußere Beschädigungen zurückgewonnen werden können. Anschließend werden die so gewonnenen Kohlenstofffasern in einem Spinnprozess zu einem Stapelfasergarn weiterverarbeitet und in Kombination mit einem Hochtemperatur-Epoxidharzsystem zu einem Sheet Molding Compound (SMC)-Halbzeug verarbeitet. Parallel zur Halbzeugentwicklung werden umfangreiche analytische Versuche wie z.B. DSC oder TMA durchgeführt. Zusätzlich wird die chemische Beständigkeit des Halbzeuges untersucht, was insbesondere bei potentiellen Anwendungen im Luftfahrtbereich von besonderem Interesse ist.

Zur Fertigung und Verarbeitung der Halbzeuge wird das Sheet Molding Compound (SMC)-Verfahren genutzt, da es eine hohe Designfreiheit bei gleichzeitig wirtschaftlichen und effizienten Fertigungsprozessen ermöglicht. In Kombination mit einem entsprechenden Epoxidharz werden so SMC-Halbzeuge auf Basis recycelter Kohlenstofffasern entwickelt, die in thermisch hoch belasteten strukturellen Bereichen eingesetzt werden können. Dies stellt einen ersten wichtigen Meilenstein in Richtung nachhaltiger CFK-Verbundwerkstoffe dar.  

Projektpartner:Blackwave GmbH

Ansprechpartner Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH:

Dr.-Ing. Florian Gortner I Telefon: +49 631 2017-439
E-Mail: florian.gortner@ivw.uni-kl.de

Stefan Buchalik-Bopp, M.Sc. I Telefon: +49 631 2017-436
E-Mail: stefan.buchalik@ivw.uni-kl.de