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Alternativrohstoff Lignin Lignin als Rohstoffquelle für Bio-Carbonfasern

Der Bedarf an günstigen Verstärkungsfasern ist hoch. Damit dieser befriedigt werden kann, suchen Forscher jetzt schon nach Alternativrohstoffen, aus denen hochwertige Fasern wirtschaftlich hergestellt werden können.

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Hochwertige Carbonfasern aus Polyacrylnitril (PAN) sind ein wichtiger Bestandteil von Composites. Um fossile Rohstoffe zu schonen und den steigenden Bedarf zu decken, soll Lignin das PAN bald ersetzen.
Hochwertige Carbonfasern aus Polyacrylnitril (PAN) sind ein wichtiger Bestandteil von Composites. Um fossile Rohstoffe zu schonen und den steigenden Bedarf zu decken, soll Lignin das PAN bald ersetzen.
(Bild: ITCF)

Als Public-Private Partnership (PPP) startet jetzt ein europäisches Forschungsprojekt, das die Entwicklung von auf Lignin basierenden Carbonfasern fokussiert. Die so gefertigten Fasern sollen hochwertig werden, damit sie zum Einsatz in Faserverbundwerkstoffen genutzt werden können. Außer namhaften Unternehmen und Forschungsinstitutionen aus ganz Europa beteiligt sich auch das ITCF Denkendorf an diesem zukunftsweisenden Projekt. Ziel des als „Libre-Projekt“ (Lignin Based Carbon Fibres for Composites) bezeichneten Vorhabens ist die Entwicklung neuer, biobasierter Compositematerialien. Lignin aus der Zellstoff- und Papiererzeugung soll dabei als Alternative zum bisherigen Rohstoff untersucht werden.

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Polyacrylnitril-Standard durch Bio-Alternative ersetzbar

Das bisherige Ausgangsmaterial, welches für die Herstellung von Carbonfasern verwendet wird, ist der Kunststoff Polyacrylnitril (PAN). Dieses Polymer wird bis dato aus fossilen Rohstoffen gewonnen, die bekanntlich immer knapper werden. Die Möglichkeit, das PAN durch Biomaterialien zu ersetzen, bedeutet einen neuen Weg zu gehen, um ressourcenschonend die steigende Nachfrage nach brauchbaren Carbonfasern auch in Zukunft zu decken. Lignin bietet sich für dieses Ziel besonders gut an, weil es als Zellstoffmaterial in der Papiererzeugung in großen Mengen quasi als Abfall anfällt. Außerdem ist der Kohlenstoffanteil von Lignin relativ hoch. Das ist eine sehr gute Voraussetzung für die wirtschaftliche Gewinnung hochqualitativer biobasierter Carbonfasern.

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Den bisherigen Rohstoff zu ersetzen, ist aber bei Weitem nicht das einzige Ziel dieses Forschungsprojektes, an dem das ITCF beteiligt ist: Die Umwandlung der sogenannten Präkursorfaser (das ist die Faser aus dem Ausgangsmaterial) in eine Carbonfaser geschieht bisher über einen energie- und kostenintensiven thermischen Prozess. Neu ist jetzt die Idee, den Aufwand durch den Einsatz von Mikrowellen und Hochfrequenzstrahlung als effiziente Wärmequellen zu reduzieren. Dadurch können ligninbasierte Carbonfasern wesentlich günstiger und somit wettbewerbsfähiger hergestellt werden.

Die Denkendorfer Forscher arbeiten an neuer Präkursorfaser

Ein weiteres Forschungsziel in diesem Rahmen ist es, die Oberfläche der Carbonfasern mithilfe von Plasma effektiver zu funktionalisieren. Die Plasmabehandlung soll dabei als energiesparender sowie umweltverträglicher Prozess die bisher verwendete, nasschemische Behandlung ersetzen. Eine Oberflächenfunktionalisierung ist wichtig, denn sie verbessert die Haftung der Fasern an der Harzmatrix. So wird gewährleistet, dass sich die Fasern nach der Konsolidierung des Bauteils wesentlich schwerer aus der sie umhüllenden, nun festen Matrix herauslösen. Das Resultat sind Werkstoffe mit hohen spezifischen Festigkeiten, wie sie für viele Anwendungen im Hinblick auf den Leichtbau erforderlich sind.

Das ITCF Denkendorf kann, was dieses Thema betrifft, auf eine langjährige Expertise in der Entwicklung und Herstellung von Hochleistungsfasern zurückblicken. Innerhalb des Gemeinschaftsprojektes wird das ITCF in Kooperation mit anderen Partnern die Präkursorentwicklung verantworten. Dabei gilt es, aus dem Biorohstoff Lignin durch chemische Funktionalisierung und in Kombination mit weiteren Polymeren eine mechanisch stabile Präkursorfaser Realität werden zu lassen.

Um das Vorhaben zum Erfolg zu führen, wird unter anderem ein am ITCF entwickeltes, vergleichsweise günstiges Schmelzspinnverfahren angewendet. In weiteren Forschungsschritten wird in Denkendorf die Präkursorfaser im Endlosverfahren stabilisiert und carbonisiert. Das geschieht in Anlagen, die für die Verarbeitung von Lignin in besonderer Weise ausgelegt sind. Industriepartnern werden die damit gefertigten Carbonfasern anschließend zu Prototypen für die Industriebereiche Automotive und Windkraft-Anlagenbau weiterverarbeiten.

Ein von der EU gefördertes Investitionsprogramm

Die Public-Private Partnership „Bio-Based Industries“ erklärt sich als einen Zusammenschluss von Firmen und Forschungseinrichtungen, dessen Ziel es ist, das nachhaltige Wirtschaften in einem auf biologische Rohstoffe basierten Industriesektor zu stärken. Die Förderung des Libre-Projektes wird dabei durch die Europäische Union übernommen, die unter dem Investitionsprogramm namens „Horizon 2020“, europaweite Forschungs- und Innovationsprojekte finanziell unterstützt. Das Projekt wird über eine Laufzeit von 4 Jahren mit einem Volumen von 4,9 Mio. Euro gefördert. Beteiligt daran sind insgesamt 12 Projektpartner.

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