Holzbasierte Carbonfasern: Effiziente und ökonomische Ressourcennutzung

Das Deutsche Institut für Textil- und Faserforschung (DITF) hat ein umweltschonendes und wirtschaftliches Verfahren entwickelt, um Carbonfasern aus Lignin herzustellen. Lignin ist ein kostengünstiger Rohstoff, der in großen Mengen als Abfallprodukt in der Papierproduktion anfällt. Dieses Verfahren bietet ein beträchtliches Potenzial zur Energieeinsparung und nutzt nachhaltige Rohstoffe, ohne den Einsatz von Lösungsmitteln.

Von Holzabfällen zu wertvollem Rohstoff: Lignin verdrängt Polyacrylnitril

Polyacrylnitril (PAN) ist der übliche Ausgangsstoff für die industrielle Herstellung von Carbonfasern. Die Stabilisierung und Carbonisierung der Fasern erfolgt durch eine längere Behandlung in hochtemperierten Öfen. Dieser energieintensive Prozess trägt zu den hohen Kosten der Fasern bei. Zudem entstehen giftige Nebenprodukte, die mit großem Aufwand und viel Energie aus dem Herstellungsprozess entfernt werden müssen.

Am DITF wurde ein neues Verfahren entwickelt, das in all diesen Prozessschritten zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Durch den Einsatz von Lignin anstelle von Polyacrylnitril zur Herstellung von Präkursorfasern, die später zu Carbonfasern umgewandelt werden, können hohe Energieeinsparungen erzielt werden. Obwohl Lignin als Rohstoff für die Carbonfaserherstellung kostengünstig und in großen Mengen verfügbar ist, wurde es in der industriellen Produktion bisher kaum berücksichtigt. Es fällt als Abfallprodukt bei der Papierherstellung an.

Erforschung von Recyclingtechniken für Carbonfasern am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung

Das Verfahren zur Gewinnung von Ligninfasern beginnt damit, dass Holz in seine Bestandteile Lignin und Cellulose aufgeteilt wird. Durch den Einsatz von Sulfit-Aufschluss entsteht Lignosulfonat, das dann in Wasser gelöst wird. Diese wässrige Ligninlösung bildet das Ausgangsmaterial für das Spinnen der Fasern.

Beim Trockenspinnverfahren wird die Spinnmasse mittels eines Extruders durch eine Düse in einen beheizten Spinnschacht gepresst. Die Endlosfasern, die im Spinnschacht entstehen, trocknen schnell und gleichmäßig. Eine völlig neue und umweltfreundliche Methode ist das Spinnen von Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung, bei der keine Lösungsmittel oder giftigen Additive zum Einsatz kommen.

Die Schritte zur Herstellung von Carbonfasern, nämlich die Stabilisierung in Heißluft und die nachfolgende Carbonisierung im Hochtemperaturofen, ähneln denen des herkömmlichen Verfahrens mit PAN als Vorläuferfaser. Allerdings zeigen auch die Ligninfasern ihre Vorteile, da sie sich besonders schnell mithilfe von Heißluft im Ofen stabilisieren lassen und niedrigere Temperaturen für die Carbonisierung benötigen. Im Vergleich zu PAN führt dieser Prozess zu einer Energieeinsparung von etwa 50%, was einen echten Wettbewerbsvorteil darstellt.

Neue Materialinnovation: Vorteile von Ligninfasern aus Wasser

Neben der umweltfreundlichen und lösemittelfreien Herstellung sowie der Energieeffizienz hat das neue Verfahren noch weitere Vorteile gegenüber PAN. Es basiert auf der Verwendung von Lignin, einem kostengünstigen und leicht verfügbaren Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird, um hochfeste Carbonfasern herzustellen. Die Wahl eines natürlichen Rohstoffs zur Produktion folgt dem Nachhaltigkeitsgedanken.

Hohe Spinngeschwindigkeiten werden durch den Trockenspinnprozess ermöglicht, wodurch in kürzerer Zeit eine wesentlich größere Materialmenge produziert werden kann im Vergleich zu PAN-Fasern. Trotz dieses Wettbewerbsvorteils wird die Qualität der Lignin-Präkursorfasern nicht beeinträchtigt. Diese Fasern sind äußerst homogen, haben glatte Oberflächen und weisen keine Verklebungen auf. Solche strukturellen Merkmale erleichtern die spätere Verarbeitung zu Carbonfasern und letztendlich zu Faserverbundwerkstoffen.

Allgemein gesprochen weisen die Präkursorfasern, die aus Lignin mittels des neuen Spinnverfahrens gewonnen werden, deutliche Vorteile gegenüber PAN in Bezug auf Kosteneffizienz und Umweltfreundlichkeit auf. Was die mechanischen Eigenschaften betrifft, sind die daraus hergestellten Carbonfasern jedoch nahezu vergleichbar mit den bekannten Produkten auf dem Markt, da sie ebenfalls zugfest, widerstandsfähig und leicht sind.

Anwendungen in der Bau- und Automobilbranche könnten von der Verwendung von Carbonfasern profitieren, die aus mit Wasser gesponnenen Ligninfasern hergestellt werden. Diese Variante könnte dazu beitragen, den Produktionsprozess deutlich kosteneffizienter zu gestalten.