Schwarzes Fasergold Die Herstellung von Carbonfasern wird effizienter und nachhaltiger

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Ob in Wasserstofftanks, Batterien, Brennstoffzellen oder zum Leichtbau – Carbonfasern finden vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Hightech-Anwendungen. Und jetzt werden sie nachhaltig ...

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) entwickelt gemeinsam mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg neuartige Carbonfasern auf Basis von Cellulose. Sie verbinden strukturelle Vielfalt, hohe elektrische, thermische und mechanische Leistung mit Nachhaltigkeit. Das Projekt ist Teil der Carbon Lab Factory Lausitz und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Intensiv begleitet und unterstützt wird das Vorhaben von der Wirtschaftsregion Lausitz GmbH. Denn klassische Carbonfasern werden meist aus dem erdölbasierten Polymer Polyacrylnitril (PAN) gewonnen. Ihre Herstellung sei auch noch aufwändig, energie- und ressourcenintensiv. Aber auch auf Pech, also auf teerartigem Rohstoff, basierende Carbonfasern, eine weitere erdölbasierte Variante mit sehr guten elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften, sind technisch höchst anspruchsvoll und kostspielig in der Produktion.

Mehr Kohlenstoffausbeute bei der Carbonfaserfertigung

Der, wie behauptet wird, innovative Ansatz des IAP ist so angelegt, dass Cellulose als nachwachsender Ausgangsstoff für Präkursoren dient. Das ist die Vorstufe der eigentlichen Carbonfasern. Präkursorfasern könnten aber sehr flexibel mittels industriell etablierter Spinnverfahren (etwa Viskose- oder Lyocell-Technik) aber auch durch alternative Umformungsverfahren, zu endlosen Fasern gesponnen werden. Additive, wie beispielsweise das natürlich Lignin, das wie Cellulose aus Holz gewonnen wird, lassen sich dabei direkt in die Spinnlösung einarbeiten, heißt es. Sie steigerten dann erheblich die Kohlenstoffausbeute bei der späteren Konvertierung zur Carbonfaser. Ein Vorteil der Cellulose sei, dass die Struktur der Präkursorfasern und damit auch die spätere Carbonfaser sich gezielt über das gewählte Spinnverfahren und die Spinnprozessparameter steuern ließe, was die Art der Porositäten, Orientierungs- und Kristallinitätsgrade sowie die Querschnittsgeometrie – etwa ob rund, oval oder gelappt, betreffe. Letztere biete eine besonders hohe spezifische Oberfläche und eigne sich deshalb für den Einsatz in leitfähigen und porösen Trägerstrukturen für permeable Elektroden in Redox-Flow-Batterien, oder für Gasdiffusionslagen in Brennstoffzellen.

Gezielt spezifizierte Carbonfasern sind machbar

Die so gesponnenen Endlosfasern auf Cellulosebasis durchlaufen anschließend ein wässriges Bad mit diversen Additiven. Dieser Schritt diene der Aktivierung für die anschließende thermische Umwandlung zu Carbonfasern. Dabei punkte die Cellulosefaser damit, dass sie wie ein Schwamm wirke und deshalb die Zusätze aus dem Bad gut aufsauge. Ein am IAP entwickeltes System aus Katalysatoren und Additiven senkt dabei auch noch die Carbonisierungstemperatur um über 1.000 °C, beschleunigt dabei den Prozess und steigert die Ausbeute auch noch von 15 auf 45 Gewichtsprozent. Durch gezielte Optimierung der Prozessparameter – etwa Temperatur, Verweilzeit oder mechanische Verstreckung – während der Carbonisierung könnten Faserdurchmesser von deutlich unter vier Mikrometern erreicht werden, statt die bisher üblichen sieben. Das sei insbesondere für das Thema Brennstoffzellen interessant. Mit anderen Worten: Die Kombination aus Spinn-, Aktivierungs- und Carbonisierungsprozess erlaubt die gezielte Entwicklung maßgeschneiderter Carbonfasertypen für diverse Anwendungen.

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