Ein nachhaltiges Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern aus Lignin wurde von den DITF entwickelt. Lignin, das als Abfallprodukt in der Papierproduktion anfällt, wird dabei als günstiger Rohstoff genutzt. Das Verfahren zeichnet sich durch sein hohes Energiesparpotential und seine Umweltfreundlichkeit aus, da es auf natürlichen, erneuerbaren Ressourcen basiert und keine Lösungsmittel einsetzt.
Neuer Rohstoff auf dem Vormarsch: Lignin verdrängt Polyacrylnitril-Verfahren
Um im industriellen Maßstab Carbonfasern herzustellen, wird üblicherweise Polyacrylnitril (PAN) verwendet. Die Stabilisierung und Carbonisierung erfolgen durch einen langen Aufenthalt in hochtemperierten Öfen. Dieser Prozess erfordert eine beträchtliche Menge an Energie und führt zu hohen Produktionskosten. Zudem entstehen giftige Nebenprodukte, die mit aufwändigen und energieintensiven Methoden vom Herstellungsprozess getrennt werden müssen.
Dank einer neuartigen Methode, die an den DITF entwickelt wurde, können beträchtliche Energieeinsparungen in allen Prozessschritten erzielt werden. Statt Polyacrylnitril wird Lignin als Ersatz für die Herstellung von Präkursorfasern verwendet, die anschließend zu Carbonfasern umgewandelt werden. Bisher wurde Lignin als Ausgangsmaterial für die Carbonfaserherstellung in der Industrie kaum beachtet, obwohl es ein preiswerter und in großen Mengen verfügbarer Rohstoff ist, der als Nebenprodukt der Papierproduktion anfällt.
Erforschung der Einsatzmöglichkeiten von Carbonfasern in der Automobilindustrie am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung
Das Verfahren zur Gewinnung von Ligninfasern beginnt damit, dass Holz zunächst in Lignin und Cellulose separiert wird. Anschließend wird mittels Sulfit-Aufschluss Lignosulfonat erzeugt, das in Wasser gelöst wird. Die so entstandene wässrige Ligninlösung bildet die Grundlage für das Spinnen der Fasern.
Beim Trockenspinnverfahren erfolgt der Spinnprozess, indem die Spinnmasse durch eine Düse in einen beheizten Spinnschacht gepresst wird. Dort trocknen die entstehenden Endlosfasern schnell und gleichmäßig. Ein Extruder sorgt für den nötigen Druck.
Der Prozess zur Herstellung von Carbonfasern beinhaltet die Stabilisierung in Heißluft und die anschließende Carbonisierung im Hochtemperaturofen, ähnlich wie beim herkömmlichen Prozess mit PAN als Präkursorfaser. Allerdings bieten Ligninfasern einige Vorteile, da sie sich besonders schnell mit Heißluft stabilisieren lassen und niedrigere Temperaturen bei der Carbonisierung erfordern. Dies führt zu einer Energieeinsparung von etwa 50% gegenüber PAN und bietet somit einen bedeutenden Wettbewerbsvorteil.
Ligninfasern aus Wasser: Neue Dimension technischer Vorteile
Neben der umweltfreundlichen und lösemittelfreien Herstellung sowie der Energieeffizienz bietet das neue Verfahren weitere Vorteile gegenüber PAN. Es setzt Lignin ein, einen kostengünstigen und leicht verfügbaren Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird, um hochfeste Carbonfasern zu erzeugen. Die Verwendung eines natürlichen Rohstoffs für die Produktion folgt dem Prinzip der Nachhaltigkeit.
Durch den Trockenspinnprozess werden hohe Spinngeschwindigkeiten ermöglicht, was zu einer wesentlich höheren Materialproduktion in kürzerer Zeit im Vergleich zu PAN-Fasern führt. Trotz dieses Wettbewerbsvorteils werden keine Kompromisse in Bezug auf die Qualität der Lignin-Präkursorfasern eingegangen. Diese Fasern sind äußerst homogen, besitzen glatte Oberflächen und weisen keine Verklebungen auf. Solche strukturellen Merkmale erleichtern die Weiterverarbeitung zu Carbonfasern sowie zu Faserverbundwerkstoffen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Präkursorfasern, die durch das neue Spinnverfahren gewonnen werden, im Vergleich zu PAN deutliche Vorteile in Bezug auf Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit aufweisen. Die aus diesen Fasern hergestellten Carbonfasern weisen jedoch ähnliche mechanische Eigenschaften auf wie bereits existierende Produkte auf dem Markt. Diese Carbonfasern sind zugfest, widerstandsfähig und leicht.
Die Verwendung von Carbonfasern, die aus Wasser gesponnenen Ligninfasern gewonnen werden, könnte für die Bau- und Automobilbranche von besonderem Interesse sein. Durch die damit verbundenen Kostensenkungen im Produktionsprozess könnten erhebliche Vorteile erzielt werden.
