Recycling Carbonfaserabfälle für den Leichtbau

Carbonfaserabfälle können wiederverwertet werden: Auf dem Gebiet des Textilrecyclings ist es gelungen, Carbonfaserabfälle durch einen modifizierten Schneid- und Reißprozess für eine textile Weiterverarbeitung aufzubereiten. Dadurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten und Einsatzgebiete.

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Sächsisches Texilforschungs- institut e.V.

Es muss oberstes Gebot sein energieintensiv produzierte Carbonfasern einer effektiven Kreislaufwirtschaft durch stoffliches Recycling zuzuführen. Sowohl ein Management natürlicher Ressourcen als auch wirtschaftliche Aspekte sprechen dafür. Dabei darf die Funktionalität und das Potenzial als Verstärkungsfaser aber nicht verloren gehen.

Unter dieser Zielstellung ordnen sich die Aktivitäten am Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. in Chemnitz ein. Es ist gelungen, Carbonfaserabfälle in Fasern mit einer für eine textile Weiterverarbeitung akzeptablen Länge aufzubereiten. Weil die Technologie bereits im Technikumsmaßstab entwickelt wurde, kann die Umsetzbarkeit in den Industriemaßstab kurzfristig erwartet werden.

Carbonfaserabfälle sind bisher weitgehend unerforscht

Analysten schätzen den CFK-Markt als solide und vor allem als einen Markt mit hohem Wachstumspotenzial ein. Man geht von mindestens 13 % jährlichem Wachstum aus und prognostiziert für 2020 einen weltweiten Bedarf von 130.000 t [1]. Bei der Verarbeitung der Carbonfilamentstrukturen anfallende oder aus der Aufbereitung von CFK-Bauteilen wiedergewonnene Carbonfaserabfälle stellen eine vergleichsweise junge und damit weitgehend unerforschte Abfallgruppe dar. Das Vorliegen endlicher Carbonfasern mit ausreichender Länge erfordert eine völlig neue Herangehensweise, ist Herausforderung und gleichermaßen Chance für die Vliesstoffindustrie am CFK-Boom teilzuhaben. Carbonfaserbasierte Strukturen in Form von Vliesstoffen, Faserbändern und Garnen könnten damit Zugang zu Anwendungsbereichen erlangen, die bisher aus Kostengründen schwer oder überhaupt nicht erschließbar und/oder deren Anforderungen mit herkömmlichen Materialien nicht realisierbar sind.

Bereits seit dem Jahr 2005 ist die Verarbeitung aus Carbonfilamentabfällen wiedergewonnener Langfasern zu Vliesstoffen Forschungsgegenstand am Sächsischen Textilforschungsinstitut e. V. (STFI). Innerhalb des vom BMBF initiierten Konsortiums Mali-Tec wurden mittels Nähwirktechnik verfestigte Carbonfaservliesstoffe entwickelt, hergestellt und in CFK-Strukturen erprobt [2, 3].

Erste Schritte: Primärfasern für die Vliesbildung

Erstmals konnte die Vliesbildung unter Verwendung von Primär-Carbonfasern mit mehr als 50 mm Länge mittels des Kardierverfahrens nachgewiesen werden. Dabei wurde die Notwendigkeit erkannt, neben den unvermeidbaren Aufwendungen zum Schutz der Gesundheit der Beschäftigten sowie zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse, weitere technisch/technologische Modifizierungen in allen Bereichen von Vliesbildung und -verfestigung durchzuführen. Sehr schnell stand jedoch fest, dass die direkte Verarbeitung von Carbon-Primärstapelfasern mit Walzenkrempeln wirtschaftlich nur schwer vertretbar ist. Solche Vliesstoffe können großtechnisch durch nachträgliche Carbonisierung von aus voroxidierten Fasern (PreOx-PAN-Fasern) hergestellten Flächen realisiert werden. Aufbauend auf den mit Primärfasern gewonnenen Erkenntnissen bestand das eigentliche Ziel der Untersuchungen sehr bald in der Verarbeitung von mit geeigneten Verfahren rezyklierten Carbonfasern auf Basis des mechanischen Kardierverfahrens zu einem Vlies.

Abfälle werden zum favorisierten Rohstoff

Auf Grundlage der Versuche mit Primärfasern konnte mit der vorhandenen Anlage auch die Vliesbildung aus durch einen Pyrolyse-Prozess aus gebrauchten CFK-Strukturen herausgelösten Rezyklatfasern (rCF) mit mittleren Faserlängen von 30 und 100 mm nachgewiesen werden. Wegen der besonderen Fasereigenschaften erschien zur Verfestigung der Carbonfaservliese zunächst nur das Übernähen mit einem Fadensystem nach dem Vliesnähwirkverfahren Maliwatt als geeignet.

Relativ schnell zeigte sich, dass das Vernadeln eines Carbonfaservlieses ebenso möglich ist und bei Einstichdichten von 85 Stichen/cm² ausreichend feste, transportfähige und drapierbare Vliesstoffe mit Flächenmassen zwischen 40 g/m² und 1.500 g/m² herstellbar sind. Höhere Flächenmassen werden hierbei durch Doublieren vorgefertigter Vliese generiert [4, 5].

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