Forscherinnen und Forscher der DITF haben eine wegweisende Methode entwickelt, um Carbonfasern aus Lignin herzustellen. Dieser Rohstoff ist in großen Mengen verfügbar und entsteht als Abfallprodukt in der Papierindustrie. Das entwickelte Verfahren zeichnet sich durch hohe Kosteneffizienz, Energieeinsparungen und Umweltfreundlichkeit aus, da es auf natürlichen, nachwachsenden Materialien beruht und keine Lösungsmittel verwendet.
Revolutionäre Alternative: Lignin löst Polyacrylnitril ab
In der industriellen Fertigung werden Carbonfasern üblicherweise aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Um die Fasern zu stabilisieren und zu carbonisieren, werden sie für längere Zeit bei hohen Temperaturen in Öfen behandelt. Dieser energieintensive Prozess führt zu hohen Produktionskosten. Darüber hinaus fallen giftige Nebenprodukte an, die aufwendig aus dem Herstellungsprozess entfernt werden müssen.
Eine neue Methode wurde am DITF entwickelt, die erhebliche Energieeinsparungen in verschiedenen Prozessschritten ermöglicht. Anstelle von Polyacrylnitril wird Lignin als Ersatzstoff für die Herstellung von Präkursorfasern verwendet, die dann in einem zweiten Schritt zu Carbonfasern umgewandelt werden. Die Verwendung von Lignin als Ausgangsmaterial für Carbonfasern wurde bisher in der industriellen Produktion vernachlässigt, obwohl es ein kostengünstiger und in großen Mengen verfügbarer Rohstoff ist, der als Abfallprodukt in der Papierherstellung anfällt.
Entwicklung umweltfreundlicher Methoden zur Herstellung von Carbonfasern am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung
In der neuesten Methode zur Herstellung von Ligninfasern wird zunächst das Holz in Lignin und Cellulose aufgespalten. Mit Hilfe des Sulfit-Aufschlussverfahrens wird Lignosulfonat erzeugt, das anschließend in Wasser gelöst wird. Die entstandene wässrige Ligninlösung wird als Basis für das Spinnen der Fasern verwendet.
Der Trockenspinnprozess erfolgt, indem die Spinnmasse durch eine beheizte Düse in den Spinnschacht gepresst wird. Im Spinnschacht trocknen die Endlosfasern schnell und gleichmäßig. Ein neuartiger umweltfreundlicher Ansatz besteht darin, Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung zu spinnen, ohne dabei Lösungsmittel oder giftige Additive zu verwenden.
Bei der Produktion von Carbonfasern ähneln die Schritte der Herstellung, nämlich die Stabilisierung in Heißluft und die nachfolgende Carbonisierung im Hochtemperaturofen, denen des herkömmlichen Verfahrens mit PAN als Ausgangsfaser. Jedoch bieten die Ligninfasern auch hier ihre eigenen Vorteile, da sie sich im Ofen besonders schnell mithilfe von Heißluft stabilisieren lassen und niedrigere Temperaturen für die Carbonisierung benötigen. Durch diesen Prozess werden rund 50% Energie eingespart, was zu einem echten Wettbewerbsvorteil führt.
Wasser als Basis: Ligninfasern bieten technische Vorzüge
Das neue Verfahren bietet neben der umweltfreundlichen und lösemittelfreien Herstellung sowie der Energieeffizienz weitere Vorteile im Vergleich zu PAN. Dabei wird Lignin, ein kostengünstiger und leicht verfügbarer Rohstoff aus Holz, zur Erzeugung hochfester Carbonfasern verwendet. Diese Entscheidung, einen natürlichen Rohstoff für die Produktion einzusetzen, folgt dem Prinzip der Nachhaltigkeit.
Durch den Trockenspinnprozess können hohe Spinngeschwindigkeiten erreicht werden, was zu einer erheblichen Steigerung der Materialproduktion führt, im Vergleich zu dem, was mit PAN-Fasern möglich ist. Trotzdem wird kein Kompromiss bei der Qualität der Lignin-Präkursorfasern eingegangen. Diese Fasern sind äußerst homogen, weisen glatte Oberflächen auf und haben keine Verklebungen. Diese strukturellen Eigenschaften erleichtern die spätere Verarbeitung zu Carbonfasern und letztlich zu Faserverbundwerkstoffen.
Eine Zusammenfassung ergibt, dass die Präkursorfasern, die durch das neue Spinnverfahren aus Lignin gewonnen werden, im Vergleich zu PAN deutliche Vorteile in Bezug auf Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit aufweisen. Die daraus resultierenden Carbonfasern weisen jedoch ähnliche mechanische Eigenschaften auf wie die bereits auf dem Markt erhältlichen Produkte, d.h. sie sind zugfest, widerstandsfähig und leicht.
Wasser-gesponnene Ligninfasern bieten eine vielversprechende Variante für die Herstellung von Carbonfasern, die sowohl in der Bau- als auch in der Automobilbranche von erheblichem Nutzen sein könnten, da sie zu erheblichen Kostensenkungen im Produktionsprozess führen könnten.
