MAI Green

Basismaterialien und -prozesse für die kosteneffiziente Carbonfaser der Zukunft

Derzeit werden mehr als 95 % der Carbonfasern aus speziellen Vorläuferfasern, den sogenannten „Precursorfasern“ hergestellt. Diese Precursorfasern beinhalten üblicherweise ein Polymer, das Polyacrylnitril, oder kurz PAN. Aufgrund der hohen Preise des erdölbasierten Polymers und des teuren Herstellungsprozesses betragen die Kosten der Precursoren etwa 50 % der Kosten für die Carbonfaser. Aufgrund der hohen Kosten, sowohl der Faserproduktion selbst als auch der Composit-Herstellung, begrenzt sich die Nutzung dieser einzigartigen Werkstoffe derzeit hauptsächlich auf High-End-Anwendungen.

Die Herstellung der Carbonfasern setzt sich im Wesentlichen aus drei Prozessschritten zusammen: Die chemische Stabilisierung der PAN-Faser findet bei Temperaturen bis zu 300 °C statt. Der nächste Schritt, die sogenannte „Carbonisierung“ erfolgt oberhalb von 1000 °C. Im letzten Schritt wird die Oberflächenbehandlung durchgeführt, die für die Weiterverarbeitung essentiell ist. Ein Ziel des Vorhabens MAI Green ist die gezielte Untersuchung und Anpassung dieser Schritte. Durch grundlegende Untersuchungen der chemischen Reaktionen entlang der Prozesskette sollen die Reaktionswege aufgeklärt und verstanden werden. Als Ergebnis soll ein deutlich verbrauchsoptimierter Parametersatz zur kosteneffizienten Herstellung von Carbonfasern aus PAN-Precursoren ermittelt werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Herstellungskosten für Carbonfasern signifikant zu senken, ist der Einsatz eines alternativen Materials für die Precursoren. Hier kann beispielsweise das Biopolymer Lignin eingesetzt werden. Lignine fallen bei der Zellstoffgewinnung als „Abfallprodukt“ an. Lignine als Precursormaterial zur Carbonfaserherstellung einzusetzen, ist daher Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Prinzipiell konnte gezeigt werden, dass sich Carbonfasern aus Ligninen in einem Schmelzspinnprozess herstellen lassen, allerdings ist der Einsatz durch die zur Zeit erreichbare Reinheit und den nicht optimalen Herstellungsprozess stark limitiert. Industriell einsetzbare Hochleistungsfasern können so nicht erreicht werden. Hier setzt das Vorhaben MAI Green an.

Abbildung: „Grüne“ Carbonfaser über „grünen“ Precursor

Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes ist die Untersuchung und die Herstellung von maßgeschneiderten Ligninen als alternativer Rohstoff für die Erzeugung von Carbonfasern sowie die Etablierung einer für diesen Rohstoff angepassten Prozesskette.