Recycling von Kohlenstofffasern - Wie kann die erforderliche Qualität sichergestellt werden?

Kohlenstofffasern sind durch ihre Verwendung in Faserkunststoffverbunden (FKV) für Leichtbau-Anwendungen in der Luftfahrt- und Automobilindustrie in immer größeren Mengen im Einsatz. In unterschiedlicher Form werden sie überwiegend als Endlosfaser in Kunststoffe eingebracht mit dem Ziel, die mechanischen Eigenschaften Festigkeit und Steifigkeit zu verbessern und damit das Bauteilgewicht zu reduzieren.

Etwa 90% aller Kohlenstofffasern werden aus Polyacrylnitril (PAN) in Form von Endlosfasern hergestellt. Die zentralen Prozessschritte, das Pyrolysieren und das Carbonisieren, finden bei Temperaturen bis zu 2000  C statt. Diese Tatsache begründet den hohen Energieverbrauch und die damit verbundenen Kosten. Aus nachhaltiger und wirtschaftlicher Sicht ist deshalb die Wiederverwertung der Kohlenstofffasern über ein einziges „Bauteilleben“ hinaus sehr sinnvoll und erstrebenswert.

Das Recycling von Kohlenstofffasern (rCF) birgt viele Herausforderungen. Bei der üblicherweise durchgeführten Pyrolyse zur Trennung von Matrix und Faser wird nicht nur die Polymermatrix thermisch abgebaut, sondern je nach Gasumgebung und Temperatur auch die organische Kohlenstofffaser angegriffen. Um lediglich die Matrix möglichst faserschonend zu entfernen, muss auf optimale und homogene Pyrolysekonditionen geachtet werden. Schäden, die zum Beispiel durch Oxidation an den Faseroberflächen entstehen können, reduzieren stark die mechanischen Eigenschaften und somit die Möglichkeiten für erneute Anwendungen. Eine weitere Herausforderung ist die umfassende Charakterisierung der rCF, mit deren Hilfe Schäden besser identifiziert und eine Einordnung der Faserqualität vorgenommen werden können. Hierzu gehören u. a. der Zustand der Fasern nach dem Recyclingschritt, die Länge der Fasern sowie ihre mechanischen Eigenschaften.

Das Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) arbeitet in mehreren Forschungsprojekten an der Lösung dieser Probleme. Speziell zur Faseranalytik wurden Arbeiten zur optischen Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Untersuchungsgegenstand waren mittels Pyrolyse erzeugte rCF. Hierbei wurde die Matrix der FKV bei Temperaturen bis zu 700°C und einer definierten Gasatmosphäre sowie Verweildauer entfernt. Bei optimal auf den FKV abgestimmten Prozessparametern bleiben die reinen Kohlenstofffasern zurück. Die Herausforderung besteht darin, das entsprechende Prozessfenster FKV-spezifisch zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden die erzeugten rCF mittels rasterelektronen-mikroskopischer Aufnahmen optisch charakterisiert und so die Effektstärke der unterschiedlichen Prozessparameter bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die Prozessparameter der Pyrolyse starken Einfluss auf die vollständige Freilegung der Fasern sowie auf den Faserdurchmesser haben. Insbesondere die Anwesenheit von Sauerstoff (bzw. Luft) kann zu deutlichen Faserschäden durch Oxidation führen (siehe Abbildungen). Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für weitere Arbeiten zur Fasercharakterisierung und zum pyrolytischen Recycling von FKV. Neben den mechanischen Eigenschaften sind auch Untersuchungen der Geometrie der Fasern geplant. Ziel ist die Überführung von rCF in verschiedene Bauteilanwendungen unter Berücksichtigung von messbaren Kennwerten, mit denen Anwendungs-möglichkeiten besser identifizierbar werden. 

Weitere Informationen:
M.Sc. Kerstin Steidle
Tailored & Smart Composites
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0) 631/2017 242
E-Mail: kerstin.steidle@ivw.uni-kl.de