Durch die Forschung der DITF ist es nun möglich, Carbonfasern aus Lignin herzustellen, was ein nachhaltiges und kosteneffizientes Verfahren darstellt. Lignin, ein Abfallprodukt der Papierherstellung, steht in großen Mengen zur Verfügung und dient als günstiger Rohstoff. Das entwickelte Verfahren zeichnet sich durch sein hohes Energiesparpotential und seine Umweltfreundlichkeit aus, da es natürliche, erneuerbare Materialien verwendet und auf den Einsatz von Lösungsmitteln verzichtet.
Nachhaltige Lösung: Lignin ersetzt herkömmliches Polyacrylnitril-Verfahren
Um Carbonfasern in großen Mengen herzustellen, wird üblicherweise Polyacrylnitril (PAN) verwendet. Die Fasern werden durch eine langwierige Behandlung in hochtemperierten Öfen stabilisiert und carbonisiert. Dieser Prozess erfordert einen beträchtlichen Energieaufwand, was zu hohen Kosten für die Fasern führt. Zudem entstehen giftige Nebenprodukte, die aufwendig und energieintensiv aus dem Herstellungsprozess entfernt werden müssen.
Ein innovatives Verfahren, das am DITF entwickelt wurde, ermöglicht beträchtliche Energieeinsparungen in den verschiedenen Prozessschritten. Dabei wird Lignin anstelle von Polyacrylnitril verwendet, um Präkursorfasern herzustellen, die später zu Carbonfasern umgewandelt werden. Obwohl Lignin als Rohstoff für die Carbonfaserproduktion kostengünstig und in großen Mengen verfügbar ist, wurde es in der industriellen Fertigung bisher kaum beachtet. Es wird als Abfallprodukt in der Papierherstellung generiert.
Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten von Carbonfasern in der Luft- und Raumfahrt am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung
Um Ligninfasern herzustellen, wird zunächst Holz in Lignin und Cellulose aufgespalten. Durch den Einsatz des Sulfit-Aufschlussverfahrens entsteht Lignosulfonat, das in Wasser gelöst wird. Die resultierende wässrige Ligninlösung dient als Grundlage für das Spinnen der Fasern.
Im Trockenspinnverfahren erfolgt der Spinnprozess durch das Pressen der Spinnmasse mit einem Extruder durch eine beheizte Düse in den Spinnschacht. Die Endlosfasern trocknen im Spinnschacht schnell und gleichmäßig. Eine innovative und umweltfreundliche Alternative besteht darin, Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung zu spinnen, ohne dabei Lösungsmittel oder giftige Additive zu verwenden.
Bei der Herstellung von Carbonfasern ähneln die Verfahrensschritte, nämlich die Stabilisierung in Heißluft und die nachfolgende Carbonisierung im Hochtemperaturofen, denen des herkömmlichen Prozesses unter Verwendung von PAN als Präkursorfaser. Allerdings bieten die Ligninfasern auch hier ihre eigenen Vorteile, da sie sich im Ofen besonders schnell mit Heißluft stabilisieren lassen und niedrigere Temperaturen in der Carbonisierung erfordern. Die Energieersparnis in diesen Prozessschritten im Vergleich zu PAN beträgt rund 50%, was einen realen Wettbewerbsvorteil darstellt.
Technischer Fortschritt: Wassergespunene Ligninfasern im Fokus
Das neue Verfahren bietet neben der umweltfreundlichen und lösemittelfreien Herstellung sowie der Energieeffizienz weitere Vorteile gegenüber PAN. Es verwendet Lignin, einen kostengünstigen und leicht verfügbaren Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird, um hochfeste Carbonfasern zu erzeugen. Die Nutzung eines natürlichen Rohstoffs für die Produktion folgt dem Prinzip der Nachhaltigkeit.
Mit dem Trockenspinnprozess können hohe Spinngeschwindigkeiten erreicht werden, wodurch eine deutlich größere Menge Material in kürzerer Zeit produziert werden kann als mit PAN-Fasern. Dies bietet einen zusätzlichen Wettbewerbsvorteil, ohne dabei Kompromisse in Bezug auf die Qualität der Lignin-Präkursorfasern einzugehen. Diese Fasern sind äußerst homogen, weisen glatte Oberflächen auf und sind frei von Verklebungen. Diese strukturellen Merkmale erleichtern die Weiterverarbeitung zu Carbonfasern und letztendlich zu Faserverbundwerkstoffen.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die gewonnenen Präkursorfasern aus Lignin, die durch das neue Spinnverfahren erzeugt werden, deutliche Vorteile hinsichtlich ihrer Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit im Vergleich zu PAN aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Carbonfasern sind jedoch nahezu identisch mit denen marktgängiger Produkte, da sie ebenfalls eine hohe Zugfestigkeit, Widerstandsfähigkeit und Leichtigkeit aufweisen.
Die Verwendung von Carbonfasern, die aus Ligninfasern gewonnen und mit Wasser gesponnen werden, könnte für die Bau- und Automobilbranche äußerst interessant sein. Insbesondere könnten hohe Kosteneinsparungen im Produktionsprozess erzielt werden.
