Thermische Behandlung und mechanische Bewertung von Carbonfasern im Recyclingprozess

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe sind nicht länger ein Nischenmarkt. Steigende Anwendungen sowie die damit einhergehende wachsende Jahresproduktion von Fasern belegen diesen Fakt auf eindrucksvolle Weise. Doch mit einem höheren Aufkommen an Bauteilen und Produkten steigt auch der in der Produktion und am Ende des Lebenszyklus anfallende Abfall an Kohlenstofffasern (im folgendem Carbonfasern genannt). Dieser wertvolle Sekundärstrom wird derzeit nur in geringem Maße dem Kreislauf zurückgeführt und sorgt somit zu einer nicht optimal ausgenutzten Emissions- und Energiebilanz der Carbonfasern. Diese Arbeit ist eine Abhandlung über die Veränderung der mechanischen Eigenschaften sowie der Faser-Matrix Haftung von thermisch behandelten Fasern. Als thermische Behandlung werden Prozesse verstanden, wie sie beim Recycling von Carbonfasern sehr häufig auftreten. Der Fokus liegt hierbei auf Prozessen in Stickstoff- und Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 400 °C und 800 °C. Dabei werden unterschiedliche Arten der Sauerstoffeinbringung und die Variation der Sauerstoffkonzentration in einem Batch-Laborofen untersucht. Dieser Ofen hat ein Volumen von 166 l und repräsentiert verglichen mit dem Stand der Technik einen großen Versuchsaufbau. Es werden Carbonfasern unterschiedlicher Hersteller, trockener Verschnittabfall sowie auch CFK mit unterschiedlichen Matrixsystemen untersucht. Die Haupt-Untersuchungsgrößen sind dabei Faserfestigkeit und -steifigkeit, die im Einzelfaserzugversuch bestimmt werden, aber auch die Veränderung der Faseroberfläche. Im nachfolgenden Kapitel werden ausgewählte thermisch behandelten Fasern in einem neuartigen Einzelfaser Pull-Out Test auf ihre Faser-Matrix Haftung untersucht. Besonders dem Einzelfaser Zugversuch sowie dem Pull-Out Test geht dabei eine ausführliche Charakterisierung von Mess- und Versuchsparametern voraus. Des Weiteren werden größere CFK-Strukturen mit einem in der Arbeit eingeführten thermischen Verfahren behandelt und nachfolgend die einzelnen Lagen separiert. Anschließend werden diese infiltriert und der Verbund bestehend aus recycelten Fasern charakterisiert. Ziel dieser Untersuchung ist es, den Einfluss des zurückbleibenden Koks auf die Faser-Matrix Haftung besser zu verstehen. Aus diesem Grund werden unterschiedliche makroskopische Tests wie der ILSS-, Edge-Shear und Schubrahmentests durchgeführt und mit den Ergebnissen des Pull-Out Testes verglichen. Die wichtigsten Einflussgrößen, welche sich auf die mechanischen Eigenschaften eines Verbundwerkstoffes aus recyclen Carbonfasern auswirken, werden am Ende dieser Arbeit vorgestellt.

This thesis is a treatise on the modification of mechanical properties and the fibre-matrix- bonding of thermally treated fibres. Thermal treatment is understood to be a process that is frequently used for the recycling of carbon fibres. The focus is on processes in nitrogen and oxygen atmosphere at temperatures between 400 °C and 800 °C. Different ways of oxygen flow and oxygen concentration are investigated in a lab-scale batch furnace.