Die DITF haben ein Verfahren entwickelt, um Carbonfasern aus Lignin herzustellen, das sowohl nachhaltig als auch kosteneffizient ist. Lignin, ein Abfallprodukt der Papierindustrie, steht in großen Mengen zur Verfügung und dient als preiswerter Rohstoff. Das Verfahren weist ein beträchtliches Energiesparpotential auf und setzt auf umweltfreundliche Prinzipien durch die Verwendung natürlicher, nachwachsender Rohstoffe ohne den Einsatz von Lösungsmitteln.
Aufbruch in eine grüne Zukunft: Lignin ersetzt Polyacrylnitril
Die industrielle Produktion von Carbonfasern erfolgt normalerweise durch die Verwendung von Polyacrylnitril (PAN). Um die Fasern zu stabilisieren und zu carbonisieren, werden sie über einen langen Zeitraum in hochtemperierten Öfen behandelt. Dieser energieintensive Prozess erhöht die Kosten der Fasern erheblich. Zusätzlich fallen giftige Nebenprodukte an, die mühsam und mit hohem Energieaufwand aus dem Herstellungsprozess separiert werden müssen.
Forscher am DITF haben ein neues Verfahren entwickelt, das in all diesen Prozessschritten zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Dabei wird Lignin anstelle von Polyacrylnitril verwendet, um Präkursorfasern herzustellen, die in einem zweiten Schritt zu Carbonfasern umgewandelt werden. Obwohl Lignin als Rohstoff für die Carbonfaserherstellung kostengünstig und in großen Mengen verfügbar ist, wurde es in der industriellen Produktion bisher kaum berücksichtigt. Es entsteht als Abfallprodukt bei der Papierproduktion.
Verbesserung der Festigkeit und Leichtbauweise von Carbonfasern durch innovative Materialzusammensetzungen am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung
Im Rahmen des neuen Verfahrens zur Produktion von Ligninfasern erfolgt eine Trennung des Holzes in Lignin und Cellulose. Mittels Sulfit-Aufschluss wird Lignosulfonat erzeugt und in Wasser gelöst. Die erhaltene wässrige Ligninlösung wird daraufhin zur Herstellung der Fasern verwendet.
Der Spinnprozess im Trockenspinnverfahren umfasst das Pressen der Spinnmasse mittels eines Extruders durch eine beheizte Düse in einen Spinnschacht. Die Endlosfasern trocknen dabei schnell und gleichmäßig. Eine völlig neuartige und umweltfreundliche Herangehensweise besteht darin, Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung zu spinnen, ohne Lösungsmittel oder giftige Additive einzusetzen.
Der Prozess zur Herstellung von Carbonfasern umfasst die Stabilisierung in Heißluft und die anschließende Carbonisierung im Hochtemperaturofen. Diese Schritte ähneln dem herkömmlichen Prozess mit PAN als Präkursorfaser. Allerdings bieten die Ligninfasern Vorteile, da sie sich schnell mit Heißluft stabilisieren lassen und niedrigere Temperaturen in der Carbonisierung erfordern. Dies führt zu einer Energieeinsparung von etwa 50% und bietet einen klaren Wettbewerbsvorteil.
Wasserbasierte Ligninfasern: Technische Vorteile im Überblick
Neben der umweltfreundlichen und lösemittelfreien Herstellung sowie der Energieeffizienz bringt das neue Verfahren noch weitere Vorteile im Vergleich zu PAN mit sich. Durch die Verwendung von Lignin, einem kostengünstigen und leicht verfügbaren Rohstoff aus Holz, zur Herstellung hochfester Carbonfasern wird der Nachhaltigkeitsgedanke in der Produktion verfolgt.
Durch den Trockenspinnprozess können hohe Spinngeschwindigkeiten erzielt werden, was zu einer erheblich gesteigerten Materialproduktion in kürzerer Zeit im Vergleich zu PAN-Fasern führt. Dabei wird jedoch die Qualität der Lignin-Präkursorfasern nicht beeinträchtigt. Diese Fasern weisen eine außergewöhnliche Homogenität, glatte Oberflächen und keine Verklebungen auf. Solche strukturellen Merkmale erleichtern die spätere Verarbeitung zu Carbonfasern und letztendlich zu Faserverbundwerkstoffen.
Eine Zusammenfassung der Ergebnisse zeigt, dass die im neuen Spinnverfahren gewonnenen Präkursorfasern aus Lignin signifikante Vorteile in Bezug auf Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit im Vergleich zu PAN aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Carbonfasern sind jedoch nahezu gleich, da sie eine vergleichbare Zugfestigkeit, Widerstandsfähigkeit und Leichtigkeit wie bereits auf dem Markt erhältliche Produkte besitzen.
Wasser-gesponnene Ligninfasern könnten für die Bau- und Automobilbranche als Rohstoff für Carbonfasern von großem Interesse sein. Durch ihre Verwendung könnte der Produktionsprozess erheblich kosteneffizienter gestaltet werden.
