Die DITF haben eine innovative Methode entwickelt, um aus Lignin, einem Nebenprodukt der Papierherstellung, kostengünstig und in großen Mengen Carbonfasern herzustellen. Dieses Verfahren bietet nicht nur ein hohes Energiesparpotential, sondern ist auch umweltfreundlich, da es auf natürlichen, nachwachsenden Rohstoffen basiert und keine Lösungsmittel benötigt.
Wandel in der Industrie: Lignin tritt an die Stelle von Polyacrylnitril
Zur Herstellung von Carbonfasern im industriellen Maßstab wird üblicherweise Polyacrylnitril (PAN) verwendet. Die Stabilisierung und Carbonisierung der Fasern erfordert eine langanhaltende Behandlung in hochtemperierten Öfen. Dieser energieintensive Prozess führt zu hohen Produktionskosten für die Fasern. Darüber hinaus entstehen giftige Nebenprodukte, die aufwendig und mit viel Energieaufwand aus dem Herstellungsprozess entfernt werden müssen.
Die DITF haben ein innovatives Verfahren entwickelt, das in verschiedenen Prozessschritten zu hohen Energieeinsparungen führt. Statt Polyacrylnitril wird Lignin zur Herstellung von Präkursorfasern verwendet, die später zu Carbonfasern umgewandelt werden. Trotz der Vorteile, wie der kostengünstigen und leicht verfügbaren Rohstoffquelle, wurde Lignin bisher in der industriellen Fertigung vernachlässigt. Es fällt als Abfallprodukt bei der Papierproduktion an.
Entwicklung von kosteneffizienten Produktionsverfahren für Carbonfasern am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung
Bei dem innovativen Herstellungsprozess für Ligninfasern wird zunächst das Holz in seine Bestandteile Lignin und Cellulose zerlegt. Durch die Anwendung des Sulfit-Aufschlussverfahrens entsteht Lignosulfonat, welches anschließend in Wasser gelöst wird. Die resultierende wässrige Lösung von Lignin dient als Ausgangsmaterial für das Spinnen der Fasern.
Bei der Trockenspinnmethode wird die Spinnmasse mit Hilfe eines Extruders durch eine beheizte Düse in den Spinnschacht gepresst. Die im Spinnschacht entstehenden Endlosfasern trocknen schnell und gleichmäßig. Eine innovative und umweltfreundliche Variante besteht darin, Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung zu spinnen, ohne dabei Lösungsmittel oder giftige Zusatzstoffe zu verwenden.
Bei der Herstellung von Carbonfasern werden ähnliche Schritte wie beim herkömmlichen Prozess mit PAN als Präkursorfaser durchgeführt, darunter die Stabilisierung in Heißluft und die Carbonisierung im Hochtemperaturofen. Hierbei zeigen sich jedoch die Vorteile der Verwendung von Ligninfasern. Sie lassen sich besonders schnell mit Heißluft stabilisieren und erfordern vergleichsweise niedrige Temperaturen bei der Carbonisierung. Dank dieser Eigenschaften kann eine Energieeinsparung von etwa 50% erzielt werden, was einen signifikanten Wettbewerbsvorteil darstellt.
Auf dem Vormarsch: Wasser als Grundlage für Ligninfasern mit technischen Vorteilen
Das neue Verfahren bietet neben der umweltfreundlichen und lösemittelfreien Herstellung sowie der Energieeffizienz weitere Vorteile gegenüber PAN. Es nutzt Lignin, einen kostengünstigen und leicht verfügbaren Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird, um hochfeste Carbonfasern herzustellen. Die Verwendung eines natürlichen Rohstoffs für die Produktion entspricht dem Nachhaltigkeitsgedanken.
Der Trockenspinnprozess zeichnet sich durch seine hohen Spinngeschwindigkeiten aus. Dadurch kann in kürzerer Zeit eine erheblich größere Menge an Material produziert werden im Vergleich zu PAN-Fasern. Dieser Vorteil im Wettbewerb geht jedoch nicht zu Lasten der Qualität der Lignin-Präkursorfasern. Diese Fasern sind äußerst homogen, weisen glatte Oberflächen auf und zeigen keine Verklebungen. Diese strukturellen Merkmale erleichtern die anschließende Weiterverarbeitung zu Carbonfasern sowie letztendlich zu Faserverbundwerkstoffen.
Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Präkursorfasern, die durch das neue Spinnverfahren aus Lignin gewonnen werden, deutliche Vorteile in Bezug auf ihre Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit im Vergleich zu PAN zeigen. Die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Carbonfasern sind jedoch nahezu identisch mit den bereits auf dem Markt erhältlichen Produkten, da sie ebenfalls eine hohe Zugfestigkeit, Widerstandsfähigkeit und Leichtigkeit aufweisen.
In der Bau- und Automobilbranche könnten Carbonfasern, die aus mit Wasser gesponnenen Ligninfasern hergestellt werden, aufgrund ihrer Fähigkeit, den Produktionsprozess erheblich kosteneffizienter zu machen, besonders attraktiv sein.
