Nachhaltige Carbonfasern für die Energiewende

Vom Rohstoff bis zum Bauteil nach Maß

Leichtbau steht hoch im Kurs. Denn leichte Autos, Flugzeuge und Windräder lassen sich energieeffizienter bewegen. Eine hervorragende Möglichkeit für den Leichtbau bieten Carbonfasern. In ein polymeres Harz eingebracht, vereinen sie als Verbundwerkstoffe Leichtigkeit mit extrem hoher Festigkeit und Steifigkeit. Jedoch sind die Fasern gegenwärtig erdölbasiert, CO₂-intensiv und teuer.

Und da setzen wir an: Wir sind Ihr kompetenter Partner in allen Fragen der Material-, Technologie- und Produktionsentwicklung nachhaltiger Carbonfasern. Mit unserem ganzheitlichen Ansatz decken wir die gesamte Wertschöpfungskette zur Herstellung von Carbonfasern ab: vom Rohstoff-Aufschluss oder Polymersynthese über das Faserspinnen bis hin zur thermomechanischen Umwandlung zu Carbonfasern und der Weiterverarbeitung zu carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK).

Wir bieten Ihnen individuelle Strategien und Lösungen, um Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse von Carbonfasern ökonomischer und ökologischer zu gestalten.

Gebündelte Kompetenz unter einem Dach

Die Herstellung von nachhaltigen Carbonfasern ist eine Spezialität des Fraunhofer IAP – von der Polymersynthese bis zum Bauteil nach Maß. Dabei verspinnen wir sogenannte Vorläuferfasern (Präkursoren) auch aus natürlichen Rohstoffen, wie zum Beispiel Cellulose und Lignin. Unsere modern ausgestattete Ofentechnik wandelt verschiedenste Arten von Präkursoren unter Wärmeeinwirkung zu Kohlenstoff um. Der Forschungsbereich PYCO steuert Expertise für die Entwicklung von maßgescheiderten und carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen für verschiedenste Leichtbauanwendungen bei.

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Polymersynthese

Polyacrylnitril (PAN) – ein erdölbasiertes Polymer – ist das wichtigste Präkursor-Material für Carbonfasern. Der Herstellungsprozess hat jedoch Nachteile. Die Präkursor-Fasern werden überwiegend durch Nassspinnen von PAN-Copolymeren hergestellt. Dieser Prozess ist kostenintensiv und verlangt den Einsatz umweltschädlicher Lösungsmittel. Für das kostengünstigere Schmelzspinnen kann PAN aufgrund der mangelnden Schmelzbarkeit nicht verwendet werden.
Mit unserer ComCarbon®-Technologie haben wir maßgeschneiderte PAN-Copolymere entwickelt, die schmelzbar sind und sich zu Carbonfasern verarbeiten lassen. Ihre hervorragende thermische Stabilität ermöglicht das konventionelle Schmelzspinnen von mehreren Filamenten. Weiterhin testen wir die ComCarbon®-Technologie unter Verwendung von biobasiertem PAN.

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Spinnprozess

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 und lässt sich nicht direkt in die Faserform überführen.
Wir entwickeln und verspinnen auch Präkursoren, die auf nachwachsenden Rohstoffen wie Cellulose, Lignin oder Hemicellulose basieren. Die Ausstattung des Fraunhofer IAP − einschließend der Viskoseherstellung sowie Nassspinnlinien − ermöglicht zum Beispiel die Viskosefilamententwicklung basierend auf Zellstoffen und Zellstoffmischungen.

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Carbonisierung

Gleichwohl welche Geometrie – ob Fasern, Folien, Membranen, Nonwovens oder Formteile – mit unserer Ofentechnik lassen sich verschiedenste Präkursor-Systeme in Kohlenstoffmaterialien umwandeln. Wir können beliebige Temperaturprogramme bis 3000 °C und unterschiedliche Atmosphären realisieren, die die Performance entscheidend beeinflussen.

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Vom Rohstoff bis zum Bauteil nach Maß