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Physikalische und chemische Vorbehandlung von CFK-Kompositbauteilen zum Zwecke des Recyclings

 
: Brockmeier, Carmen Jennifer

Augsburg, 2014, 73 S.
Augsburg, Hochschule, Bachelor Thesis, 2014
Deutsch
Bachelor Thesis
Fraunhofer IWU ()

Abstract
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden verschiedene chemische und physikalische Möglichkeiten für eine Vorbehandlung von CFK-Kompositbauteilen zum Zwecke des Recyclings betrachtet. Diese Vorbehandlungsstufe soll der Erleichterung einer neue Recyclingmethode auf biologischer Basis dienen. Grundlage des Recyclings ist der Abbau von Epoxidharz mittels Enzymen. Damit sollten die Kohlenstofffasern unbeschadet wiedergewonnen werden können. Das Ziel einer Vorbehandlung besteht darin, den Faser-Matrix-Verbund aufzulösen oder zu lockern, um eine vergrößerte Epoxidharzoberfläche zu schaffen. Die Wichtigkeit für solch eine Lösung ist damit gegeben, dass mit steigender Nachfrage an den Wertstoff CFK auch die Abfallmenge in den folgenden Jahren rapide ansteigen wird. Die Vorbehandlungsstufe sollte möglichst kostengünstig und energie- und rohstoffschonend sein. Ebenfalls sollten die Fasern in ihrer Qualität nicht beeinträchtigt werden.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich die Recyclingmethoden von CFK-Bauteilen in mechanisches, thermisches und chemisches Recycling aufteilen. Bei Betrachtung der drei Methoden lässt sich erkennen, dass diese nicht optimal für die Zukunft sind. Entweder ist die Verwertung des Werkstoffes mit einem Downcycling verbunden, oder die Recyclingmethode ist umweltbelastend oder sehr energieintensiv.
Insgesamt werden im Rahmen dieser Arbeit vier mögliche Vorbehandlungsmethoden von CFK-Bauteilen in Betracht gezogen. Erstens ist dies die Nutzung von elektromagnetischer Strahlung. Hierbei wird insbesondere die Ultraviolett- und die Mikrowellenstrahlung unter-sucht. Als zweite Möglichkeit wird die Nutzung von Säuren betrachtet. Säuren können dabei entweder das Epoxidharz zersetzen oder es aufschwellen lassen. Eine dritte mögliche Vorbehandlungsstufe besteht in der Anwendung von überkritischen Fluiden zur Zersetzung des Epoxidharzes. Als letztes wird die Wasserabsorption betrachtet.
Dem praktischen Teil dieser Bachelorarbeit liegt die Überprüfung von zwei möglichen Methoden zugrunde. Ausgewählt wurden dazu die Mikrowellenstrahlung und die Nutzung von Essigsäure. Unter Variierung der relevanten Parameter werden das Verhalten und die Ver-änderungen des Epoxidharzes untersucht.
Nach der Durchführung der Versuche erscheint vor allem die Nutzung von erhitzter Essigsäure vielversprechend, um das Epoxidharz aufzuquellen. Die Mikrowellenstrahlung führt aufgrund der Anwesenheit von Sauerstoff zu einer beginnenden Verbrennung der Bauteilproben.

 

In the context of this bachelor thesis different chemical and physical options for a pretreatment of carbon fibres reinforced plastic (CFRP) components for the purposes of recycling are examined. This pretreatment is necessary for a new method of recycling, which is based on biologic degradation of epoxy resin with enzymes. By this means carbon fibres could be re-covered undamaged. The aim of pretreatment is, to break up or to dissolve the CFRP components in order to get a larger surface area of the epoxy resin. Such a solution for recycling is very important, because at the moment the demand of CFRP components is increasing and hence in a few years the amount of CFRP waste will increase. The method of pretreatment should be cost-efficient, energy-efficient and conserve raw materials. Equally, the quality of fibres must not be affected.
According to the state of the art CFRP components recycling methods are momentarily di-vided in mechanical, thermal and chemical methods. These three methods are not ideal for a future solution. Either the material is downcycled or the method is pollutive or very energy intensive.
Overall four possible methods for pretreatment were considered. Firstly the application of electromagnetic radiation is examined. In this thesis the focus within electromagnetic radiation is on ultraviolet radiation and microwave radiation. Secondly the application of acids is investigated. Acids will either decompose epoxy resin or swell it. The third method is the usage of supercritical fluids, especially the usage of supercritical water and supercritical propanol. At least water absorption is regarded.
The basic of the practical part of this bachelor thesis is the review of two possible pretreatment methods. Selected are microwave radiation and the usage of acetic acid. Relevant parameters are modified and the modification and change within the epoxy resin is examined.
After conduction of the experiments especially the usage of heated acetic acid looks promising for swelling the epoxy resin. Microwave radiation causes a combustion of epoxy resin components due to of the presence of oxygen in ambient air.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-283931.html