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ITCF Denkendorf Pressemitteilung

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PRESSE INFO
Maßgeschneiderte Carbonfasern
Einzigartige Prozesstechnik am HPFC Denkendorf
Verbesserte Carbonfasern aus alternativen Präkursor-Materialien. Dieses ist eines der
Forschungsziele am Denkendorfer High Performance Fiber Center (HPFC). Im Mittelpunkt steht
dabei ein weltweit einzigartiges Anlagenkonzept. Besondere verfahrenstechnische
Prozessschritte ermöglichen es, verbesserte Carbonfasern durch strukturelle Änderungen in
molekularer Größenordnung hervorzubringen – kontrolliert und reproduzierbar.
Dabei werden Carbonfasern technisch in mehreren Verfahrensschritten erzeugt.
Ausgangsmaterial ist meist Polyacrylnitril. Im Rahmen von Forschungsarbeiten werden am
Institut für Textilchemie und Chemiefasern Denkendorf (ITCF) neben Acrylnitril auch die
wirtschaftlich interessanten und billigen Präkursoren Lignin, Cellulose und Polyethylen als
Alternativen für die Carbonfaserherstellung eingesetzt.
Als erster Verfahrensschritt werden die Ausgangsmaterialien in einer Schmelzspinnanlage zu
sogenannten Präkursorfasern versponnen. Diese müssen nun in zwei weiteren Arbeitsschritten
– und in zwei getrennten Anlagenbereichen - in Carbonfasern umgewandelt werden.
Die Präkursorfasern müssen vor der eigentlichen Carbonisierung in einem Hochtemperaturofen
erst stabilisiert bzw. vernetzt werden. Dieser Schritt ist notwendig, um die Molekülstrukturen
derart zu ändern, daß die Fasern die spätere thermische Belastung während der
Carbonisierung aushalten – und nicht zu Staub zerfallen. Für die Vernetzung stehen gleich
mehrere Verfahren zur Verfügung. In einer separaten Pilotlinie wird die Stabilisierung unter
Sauerstoff durchgeführt. Das Verfahren ist auch in der industriellen Produktion gängig und
technisch zuverlässig. In einem Umluftofen mit vier separat beheizbaren Zonen reagieren die
Präkursor-Materialien mit Sauerstoff. Bei der Reaktion entstehen Abspaltungsprodukte, die
abgeführt werden. Die Stabilisierung unter Sauerstoff ist ideal geeignet, um Polyacrylnitrilbasierte Präkursorfasern und einige alternative Präkursoren zu stabilisieren. Doch für weitere
Materialien und Zielsetzungen ist ein anderes Verfahren das Mittel der Wahl:
Als Besonderheit der Anlagen am ITCF sind alternativ gleich zwei Elektronenstrahlanlagen
verfügbar. Die Stabilisierung der Präkursorfasern unter Elektronenbeschuss hat zwar das
gleiche Ziel wie die Sauerstoffstabilisierung. Der Weg ist jedoch ein anderer. Chemische
Doppelbindungen werden im Ausgangsmaterial der Faser geöffnet und reagieren an anderen
Stellen unter Ausbildung neuer Bindungen. Die Moleküle der Faser vernetzen. Die Faser wird
stabilisiert – für den späteren Schritt der Carbonisierung.
Eine der Elektronenstrahlanlagen befindet sich direkt hinter der Spinndüse. Dadurch können die
Fasern unmittelbar nach dem Ausspinnen gehärtet werden. Ein großer Vorteil für die weitere
Institut für TextilchemieTextilchemie- und Chemiefasern der
Institutsleitung:
Institutsleitung
Körschtalstraße 26
Deutschen Institute für TextilTextil- und Faserforschung
Prof. Dr. Michael R. Buchmeiser
D-73770 Denkendorf
Forschung vom Molekül zum Material
PressePresse- und Öffentlichkeitsarbeit: Telefon: +49 (0) 711 / 93 40 – 1 23
Fax:
+49 (0) 711 / 93 40 – 1 85
Ulrich Hageroth
Forschungsbereiche:Chemie, Physik und Technologie der
Faserherstellung Textilveredlung und Chemie Technischer
ulrich.hageroth@itcf-denkendorf.de
Textilien ⋅ Intelligente Materialien und Hochleistungsfasern
www.itcf-denkendorf.de
Prozessführung: die Fasern verlieren ihre Sprödigkeit, lassen sich einfacher wickeln belastbarer
handhaben.
Dem Polyethylen als Präkursormaterial für Carbonfasern ist ein eigener Anlagenteil
vorbehalten. Dieses Polymer ließ sich bisher nur unzureichend stabilisieren. Verbesserte
Carbonfasereigenschaften verspricht man sich am ITCF durch eine chemische Vorbehandlung
des Polyethylens in speziell konstruierten und bisher einzigartigen Reaktionskammern. In
diesen wird das Polyethylen für die folgende Stabilisierung derart modifiziert, daß die Struktur
der Fasern für die nachfolgende Carbonisierung optimiert wird. Die Kammern werden im
Rahmen des FP7-Projektes der EU „NEWSPEC“ installiert.
Zusätzlich steht in der Stabilisierung eine zweite Elektronenstrahlanlage für die Vernetzung
verschiedener Polymere bereit.
Die eigentliche Carbonisierung der Fasern erfolgt in einer eigenen Prozesslinie. Sie besteht aus
einer Ofenstrecke für die Carbonisierung und einer Oberflächen-Nachbehandlungseinheit. In
einem Pyrolyseofen werden bei Temperaturen bis zu 1300°C unter Sauerstoffausschluss
chemische Verbindungen gespalten. Die Spaltprodukte werden abgeführt. Im Folgenden
durchfahren die Fasern einen Hochtemperaturofen, der bei Temperaturen von bis zu 2000°C für
die endgültigen Strukturen der entstehenden Carbonfasern verantwortlich ist. Hier wird die
Orientierung und Ausbildung der Graphitschichten innerhalb der Fasern beeinflußt.
Auch einzigartig ist die besondere Fadenführung, die es erlaubt, zwischen den Öfen die
Fadenspannung definiert einzustellen. Eine optimale Fadenspannung ermöglicht eine
hochgradig orientierte Ausrichtung der Kettenmoleküle innerhalb der Fasern. Für die sich
anschließende Hochtemperaturbehandlung bedeutet dieses eine Optimierung der Faserstruktur
– mit verbesserten mechanischen Eigenschaften der Carbonfasern.
Nach der Carbonisierung durchläuft die Carbonfaser eine elektrochemische Behandlung. Ihre
Oberfläche wird in einem galvanischen Bad mit funktionellen Gruppen versehen. Dieses ist von
Vorteil, wenn sie als Verstärkungsfaser in Verbundwerkstoffen eingesetzt werden soll.
Hierdurch wird die Faser-Matrix-Haftung und damit die Festigkeit des Verbundwerkstoffes
erhöht.
Die Kombinationsmöglichkeit der einzelnen Anlagenkomponenten ist in dieser Art einzigartig.
Durch einen modularen Aufbau der Anlagen können einzelne Komponenten nach Bedarf in den
Prozess integriert oder fortgelassen werden. Die Entwicklung von Carbonfasern mit neuen
Eigenschaftsprofilen und aus alternativen Präkursormaterialien wird dadurch in bisher nicht
realisierbarem Maße ermöglicht.
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Abb.: Hochtemperaturofen und Oberflächenbehandlungstrecke der Carbonisierungsanlage
Weitere Informationen zum Thema:
Dr. Erik Frank
Neue Materialien, Textile Solarzellen, Carbonfasern
(Carbonisierungstechnikum)
Tel. 0711 / 9340-133
erik.frank@itcf-denkendorf.de
Denkendorf, 26.01.2015
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Technik
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