Besser abgewickelt Mit neuartiger Plasmatechnik zu günstigeren Carbonfasern

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Carbonfasern werden derzeit aus dem Kunststoff Polyacrylnitril (PAN) in Öfen relativ aufwendig und kostspielig hergestellt, sagt die FH Aachen. Doch es geht auch deutlich einfacher ...

Carbonfasern sind die Verstärkungen für Composites (Faserverbund-Kunststoffe (FVK)), die sich im Flugzeug- und Fahrzeugbau oder in Rotoren für Windkraftanlagen finden, um nur einige Beispiele zu nennen. Für die Herstellung der Carbonfasern musste bisher einiger Aufwand getrieben werden. Doch an der Fachhochschule in Aachen hat man entdeckt, dass man mit einer besonderen Plasmabehandlung schneller ans Ziel kommt. Die Fasern als Grundmaterial für Carbon werden also aus dem Thermoplasten PAN hergestellt – von Bayer hergestellt, ist er auch landläufig als Dralon bekannt, oder als Dolan von Hoechst. Dieser Prozess spielt sich in zwei Phasen ab: Die Stabilisierung der Fasern und die anschließende Carbonisierung, wie die Aachener erklären. Bei der Stabilisierung werden die PAN-Fasern üblicherweise Millimeter für Millimeter durch einen, wie betont wird, gewaltigen, rund 30 Meter langen Industrieofen geführt. Dort werden sie bei rund 300 °C dann 60 Minuten lang erhitzt, was natürlich eine enorme Menge an Energie benötigt. Und auch die Kosten für das große Gebäude, das den Ofen beherbergen müsse, seien nicht ohne. Doch diese Stabilisierungsphase kann per freistehendem Plasmas nun ganz anders ablaufen:

Ein beachtenswerter Durchbruch in der Plasmatechnik

Im Verlauf der Forschung gab es demnach Versuche, die Oberfläche des PAN mit einem Plasmastrahl zu behandeln. Genug Energie hat das Plasma problemlos geliefert, heißt es. Allerdings wirkte die Energie durch das strahlförmige Plasma zwangsläufig zu punktuell auf die Fasern, wobei sie einfach durchbrannten, wie Dr. Christoph Schopp, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrowellen- und Plasmatechnik (IMP) der FH Aachen, sagt. Und bisher war künstlich erzeugtes Plasma auch noch an eine Komponente wie beispielsweise eine Elektrode gebunden. Jetzt ist den Forschern aber ein erfreulicher Durchbruch gelungen! „Wir haben es geschafft, das Plasma von der Elektrode zu entkoppeln und können es sogar frei nach unseren Wünschen formen“, führt Kollege Prof. Dr. Holger Heuermann, Leiter des IMP, weiter aus. Entstanden ist demnach ein Plasma mit zylindrischer Ausdehnung, das losgelöst von denen das Plasma bildenden Elementen steht. Dieses freistehende Plasma konnte man in einem neuartigen Apparat als Werkzeug nutzbar machen, mit dem die PAN-Fasern nun ohne direkte Berührung durch das Plasma hindurchgeführt werden können. Die Hitze wirkt nun gleichmäßig auf die Fasern, weshalb es nicht mehr zum Durchbrennen kommt und alles kontrolliert stabilisiert werden kann.

PAN-Fasern in gut einem Zehntel der üblichen Zeit stabilisierbar

Bei der neuen Methode durchläuft das PAN dann den Ofen mit einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde – das ergibt eine Gesamtverweildauer von nur sieben Minuten (anstatt der vorigen 60 Minuten), um die Stabilisierung vollständig zu erreichen, betonen die Forscher. Der Energiebederf der Stabilisierungsphase reduziere sich so nicht zuletzt um satte 80 Prozent. Die Produktionsstrecke ist außerdem nur noch rund vier Meter lang, statt 30 Meter. Das Ganze könne man sogar noch weiter treiben und in einen zusätzlich optimierten, industriell nutzbaren Aufbau überführen. Dafür werden laut Aussge der Spezialisten dann 16 der neuartigen Plasmaapparate parallel in einer 4×4-Matrix positioniert. So reduziere sich die Verweildauer der Fasern im Ofen auf sechs Minuten! Die Forscher sind auch optimistisch, dass eine weitere Optimierung auf minimal vier Minuten möglich ist.

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