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Systematische Untersuchung thermischer Prozesse für das Recycling von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

 
: Benka, Christopher
: Manis, Frank

:
Volltext urn:nbn:de:0011-n-3625181 (3.2 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 829927e80c8bcb5b7531c90c5b06542b
Erstellt am: 13.10.2015


Augsburg, 2015, VIII, 63 S.
Augsburg, Hochschule, Bachelor Thesis, 2015
Deutsch
Bachelor Thesis, Elektronische Publikation
Fraunhofer ICT ()
CFK-recycling; rezyklierte Carbonfasern; Pyrolyse; oxidation

Abstract
Seit mehreren Jahrzehnten werden carbonfaserverstärkte Kunststoffe (kurz CFK) in verschiedenen Einsatzbereichen, wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrt oder in der Windkraftbranche verwendet. Der Grund hierfür ist, dass diese Materialien, bei geeigneter Anwendung, herkömmlichen Konstruktionswerkstoffen wie Stahl oder Aluminium überlegen sind, da sich CFK durch eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auszeichnen. Seit einiger Zeit ist zudem eine Ausweitung der Anwendungsgebiete von CFK auf die Automobilindustrie zu erkennen, weswegen der Markt für Carbonfasern (kurz CF) stetig wächst. Ist diese Entwicklung für die Hersteller von CF durchaus positiv, so ergibt sich auf der anderen Seite die Problematik, dass mit steigenden Produktionszahlen und Anwendungsgebieten die Menge der CFK-Abfälle ebenfalls ansteigt. Diese Tatsache führt zu der Fragestellung, wie mit den anfallenden Altmaterialien umgegangen werden soll.
Da die Herstellung von CF sehr energieaufwändig ist und zudem große Mengen an Ressourcen erfordert, ist eine Ablagerung oder Verbrennung der Abfälle nicht zweckdienlich. Daher wurden in den letzten Jahren Methoden erforscht, die es ermöglichen sollen, intakte CF aus den Abfällen zu recyceln. Vielversprechende Verfahren sind dabei die sogenannte Pyrolyse und Oxidation. Hierbei wird CFK bei hohen Temperaturen mit bzw. ohne Schutzgasatmosphäre behandelt, wodurch die Matrix vergast wird, und die bloßen Fasern zurückbleiben. Diese können wiederverwendet werden und die energie- und ressourcenaufwändige Herstellung wird umgangen. Die Schwierigkeit bei diesen Verfahren besteht jedoch darin, die Prozessparameter so zu wählen, dass die Matrix zwar möglichst restlos entfernt wird, die Fasern dabei aber nicht beschädigt werden.
Sowohl die Pyrolyse, als auch die Oxidation haben jeweils Vor- und Nachteile: mit der Pyrolyse kann die Matrix faserschonend entfernt werden, es bleibt jedoch eine Koksschicht auf der Faser zurück, die aus Zersetzungsprodukten der Matrix besteht. Die Oxidation vergast die Matrix restlos, wobei die Fasern jedoch in den meisten Fällen beschädigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die Prozesse der Pyrolyse und Oxidation systematisch untersucht und charakterisiert. Hierzu wurden die Verfahren mittels einer Ofen-Anlage auf CF mit verschiedenen Prozessparametern angewendet und im Anschluss daran die behandelten Fasern mit einer Einzelfaser-Zugprüfmaschine auf ihre mechanischen Performance geprüft. Zudem wurden im Vorfeld einige Kalibrierversuche durchgeführt und die Massenabnahme von oxidierten CF bei unterschiedlichen Prozesstemperaturen und Haltezeiten untersucht.
Die Zugversuche mit oxidierten CF ergaben, dass Prozesstemperaturen von 500°C bei Oxidationsbehandlungen nicht überschritten werden sollten, da die mechanische Performance der Fasern sonst zu stark reduziert wird, um eine Wiederverwendung sinnvoll zu machen: Die Reißlast verringert sich um fast 13% und die Bruchspannung sinkt um ungefähr 6% verglichen mit Neufasern. Für die Haltezeiten sollten zwischen 30 und 60 Minuten angesetzt werden, denn längere Zeiträume führen ebenfalls zu Einbußen in den mechanischen Eigenschaften. Hier konnte festgestellt werden, dass eine Verlängerung der Haltezeit von 60 auf 120 Minuten die Reißlast der Faser um weitere 2%, die Bruchspannung sogar um weitere 4% reduziert. Der festigkeitsreduzierende Einfluss der Prozesstemperatur ist jedoch höher, als der der Haltezeit, da die Reißlast und die Bruchspannung der Fasern durch hohe Temperaturen um 55% bzw. um 46% verringert wurden, diese Eigenschaften durch längere Haltezeiten hingegen lediglich 26% bzw. 18% Einbußen erlitten.
Die Einzelfaser-Zugprüfungen von pyrolysierten CF zeigten, dass die mechanische Performance der Fasern durch diese Behandlungen sogar erhöht werden kann. Bei Prozesstemperaturen von 600°C und 30 Minuten Haltezeit weist die pyrolysierte Faser eine um 10% höhere Reißlast und eine um fast 18% höhere Bruchspannung als eine Neufaser auf. Diese gewonnen Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass eine Kombination von Oxidation und Pyrolyse vor dem Hintergrund des Recyclings wohl am erfolgsversprechendsten ist, da die bei der Pyrolyse entstehende Koksschicht durch eine anschließende oxidative Behandlung entfernt werden kann und die bei der Oxidation auftretenden Verschlechterungen der mechanischen Eigenschaften möglicherweise durch die Pyrolyse wieder aufgehoben werden können.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-362518.html