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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Gebrüder Otto
Baumwollfeinzwirnerei GmbH & Co. KG
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern - Phase 1 -
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt,
gefördert unter dem AZ: 29910 von der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
von
Kathrin Wolf / Andreas Merkel
Dietenheim, September 2014
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Der Abschlussbericht ist erhältlich bei:
Gebrüder Otto Baumwollfeinzwirnerei GmbH & Co. KG
Königstraße 34
89165 Dietenheim
Tel. +49 (0)7347 / 9606 - 0
Fax +49 (0)7347 / 9606 - 60
info@otto-garne.com
mailto:info@otto-garne.com
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Gebrüder Otto
Baumwollfeinzwirnerei GmbH & Co. KG
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern - Phase 1 -
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt,
gefördert unter dem AZ: 29910 von der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
von
Kathrin Wolf / Andreas Merkel
Dietenheim, September 2014
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Inhalt
1 Zusammenfassung .......................................................................................................................... 1 2 Einleitung .......................................................................................................................................... 2 3 Hauptteil ........................................................................................................................................... 5
3.1 Grundlagenrecherche Carbon ................................................................................................ 5
3.1.1 Herstellung von Carbonfasern ...................................................................................... 5
3.1.2 Technische Eigenschaften von Carbonfasern .............................................................. 6
3.1.3 Vergleich Baumwolle mit Carbon................................................................................. 6
3.1.4 Komponenten für carbonfaserverstärkte Kunststoffe ................................................ 8
3.1.5 Grundsätzlicher Aufbau von Faserverbundwerkstoffen .......................................... 9
3.1.6 Produktionsverfahren für FVW .................................................................................. 10
3.1.7 Vorteile bzw. Motivation für den Einsatz von FVW ................................................ 15
3.1.8 Anwendungsbeispiele von FVW ................................................................................ 16
3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse ............................................................................. 17
3.2.1 Maßnahmen für den Personen- und Maschinenschutz ........................................... 17
3.2.2 Untersuchung und Prüfung der Faserrohstoffe ....................................................... 18
3.2.3 Bandherstellung ............................................................................................................ 33
3.2.4 Erste Versuche zur Garnherstellung .......................................................................... 40
3.3 Bewertung der Vorhabensergebnisse ................................................................................. 43
3.3.1 Betrachtung der Umweltrelevanz ............................................................................... 43
3.3.2 Technologische und ökonomische Relevanz ............................................................. 44
3.4 Verbreitung der Vorhabensergebnisse ............................................................................... 46
4 Fazit ................................................................................................................................................. 47 Literaturverzeichnis und Quellennachweise ....................................................................................... 49
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Verzeichnis von Bildern
Abbildung 1 Schema Carbonfaserherstellung ....................................................................................... 5
Abbildung 2 Vergleich Längsbild Baumwollfaser (links) und Carbonfaser (rechts) ....................... 7
Abbildung 3 Carbonfaser (6 µm) im Vergleich zu einem menschlichen Haar (50µm) .................... 8
Abbildung 4 Komponenten für CFK ...................................................................................................... 8
Abbildung 5 Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes ....................................................................... 10
Abbildung 6 Schema Handlaminierverfahren + Vakuumsack- und Autoklavtechnik ................. 11
Abbildung 7 Herstellungsprinzip duroplastischer Prepregs ............................................................ 12
Abbildung 8 Prinzip des RTM-Verfahrens .......................................................................................... 13
Abbildung 9 Umfangswicklung und Kreuzwicklung........................................................................ 14
Abbildung 10 Prinzipskizze einer Wickelanlage und mögliche Wickelformen ............................. 14
Abbildung 11 Standardversion einer Pultrusionsanlage ................................................................... 15
Abbildung 12 Verschiedene Anwendungsgebiete von FVW............................................................ 16
Abbildung 13 Sicherheitsmaßnahmen für den Gesundheitsschutz ................................................. 17
Abbildung 14 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A ...................... 19
Abbildung 15 Summenhäufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A ...................... 20
Abbildung 16 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante B ...................... 21
Abbildung 17 Summenhäufigkeit Einzelfasermessung Carbon-Variante B ................................... 21
Abbildung 18 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A ....... 22
Abbildung 19 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A ......................... 23
Abbildung 20 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B ........ 24
Abbildung 21 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B .......................... 25
Abbildung 22 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 20-fache Vergrößerung ........................ 26
Abbildung 23 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 40-fache Vergrößerung ........................ 26
Abbildung 24 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 100-fache Vergrößerung ...................... 26
Abbildung 25 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 20-fache Vergrößerung ........................ 27
Abbildung 26 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 40-fache Vergrößerung ........................ 27
Abbildung 27 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 100-fache Vergrößerung ...................... 27
Abbildung 28 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 200-fache Vergrößerung ............................... 28
file:///C:/Users/Wolf/Desktop/Projekte/Carbon%20DBU%20Projekt/Abschlussbericht/Abschlussbericht%20Carbonprojekt%20für%20doppelseitiges%20Drucken%20ohne%20Besuchsberichte%20Version%20Dr.%20Schwake.docx%23_Toc399916528file:///C:/Users/Wolf/Desktop/Projekte/Carbon%20DBU%20Projekt/Abschlussbericht/Abschlussbericht%20Carbonprojekt%20für%20doppelseitiges%20Drucken%20ohne%20Besuchsberichte%20Version%20Dr.%20Schwake.docx%23_Toc399916530file:///C:/Users/Wolf/Desktop/Projekte/Carbon%20DBU%20Projekt/Abschlussbericht/Abschlussbericht%20Carbonprojekt%20für%20doppelseitiges%20Drucken%20ohne%20Besuchsberichte%20Version%20Dr.%20Schwake.docx%23_Toc399916534
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 29 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 1000-fache Vergrößerung ............................. 28
Abbildung 30 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 3000-fache Vergrößerung ............................. 29
Abbildung 31 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 200-fache Vergrößerung ............................... 29
Abbildung 32 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 1000-fache Vergrößerung ............................. 29
Abbildung 33 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 3000-fache Vergrößerung ............................. 30
Abbildung 34: Gut aufgelöste Fasern ................................................................................................... 31
Abbildung 35: Nicht vereinzelte Faserbündel ..................................................................................... 31
Abbildung 36 Modifizierte Laborkrempel mit Faservorlage ............................................................ 33
Abbildung 37 1. Krempeldurchlauf, Vliesbildung auf der Holztrommel (links) ........................... 34
Abbildung 38 2. Krempeldurchlauf und Bandbildung (rechts) ................................................... 34
Abbildung 39 2. Krempeldurchgang, Vorlage eines C/PA-Vlies aus dem 1. Durchgang ............ 35
Abbildung 40 Carbonfaserflug und Ablagerungen an Maschinenteilen ........................................ 38
Abbildung 41 100 % Carbonfaserband ................................................................................................. 38
Abbildung 42 Spinntester mit einzelmotorischen Antrieben für Carbonfaserverspinnung ........ 40
Abbildung 43 Cops mit Carbon/PA-Garn der Garnfeinheit Nm 10 und Nm 15 ........................... 41
Abbildung 44 Breite des Bandes im Streckwerk und Spinndreieck ................................................. 42
Abbildung 45 Verflugung am Spinnring ............................................................................................. 42
Abbildung 46 Verbrauchseinsparung durch Gewichtsreduktion .................................................... 43
Abbildung 47 CO2-Gesamtbilanz unterschiedlicher Materialien ..................................................... 44
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Verzeichnis von Tabellen
Tabelle 1 Technische Eigenschaften von Carbonfasern ....................................................................... 6
Tabelle 2 Gegenüberstellung der Eigenschaften von Baumwolle und Carbon ................................ 7
Tabelle 3 Schematischer Aufbau von Faserverbundwerkstoffen ....................................................... 9
Tabelle 4 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante A .............................. 19
Tabelle 5 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante B ............................... 20
Tabelle 6 Messergebnisse Fasermischung C/PA 15/85 ..................................................................... 36
Tabelle 7 Messergebnisse Fasermischung C/PA 40/60 ..................................................................... 37
Tabelle 8 Messergebnisse 100 % Carbonfasern ................................................................................... 38
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Formelzeichen
m [(T/Nm)½] alphametrischer Drehungsbeiwert
ρ [g/cm³] hier: Faserdichte
φ [%] relative Luftfeuchtigkeit
T [(Drehungen/m]
Abkürzungen
C Carbon
CF Carbonfaser
CFK Carbonfaserverstärkter Kunststoff
dtex Dezitex
E-Modul Elastizitätsmodul
EOL End-of-Life
FVW Faserverbundwerkstoffe
PA Polyamid
PAN Polyacrylnitril
RTM Resin Transfer Moulding
Verzeichnis von Begriffen und Definitionen
Carbonisierung: Wärmebehandlung von Precursormaterialien im Temperaturbereich von 1000-
2200 °C zur Herstellung von Carbonfasern.
Cops: Fertig bewickelte Garnhülse von einer Ringspinnmaschine. Vorlage für die
Spulmaschine.
Dickstelle: Imperfektion im Garn, ermittelt als prozentuale positive Abweichung zur mittleren,
gewünschten Garnfeinheit.
Downcycling: Bezeichnung dafür, wenn ein Material nicht mehr die ursprüngliche Qualität
oder deren Verarbeitbarkeit erreicht wie bei der Primärherstellung vor dem Recyclingprozess.
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Dünnstelle: Imperfektion im Garn, ermittelt als prozentuale negative Abweichung zur
mittleren, gewünschten Garnfeinheit.
Filament: Bezeichnung für eine Faser mit praktisch unbegrenzter Länge. Werden auch
Endlosfasern genannt.
Graphitierung: Hochtemperaturbehandlung im Anschluss an die Carbonisierung im
Temperaturbereich von 1800–3000 °C zur Herstellung von besonders hochmoduligen
Carbonfasern.
Haarigkeit: Durch Abstehen von Fasern entstehendes Garnbild.
Isotrop: Nach allen Richtungen hin gleiche physikalische und chemische Eigenschaften
aufweisend
K: Einheit für die Filamentanzahl in einem Garn oder Roving/Tow. 1K steht für
1000 Einzelfilamente.
Karde: Beim Kardierprozess in der Maschine werden die Faserflocken zu einzelnen Fasern
weiter aufgelöst, parallelisiert und das entstehende Faserflor zu einem Kardenband
zusammengefügt. Während des Kardierens werden Kurzfasern, Nissen, Fremd- und
Schmutzpartikel weitgehend entfernt.
Kardenband: Ausgabeband an der Karde.
Karderie: Einheit aller Karden in einer Spinnerei.
Kardiertes Garn: Garn, dass ohne den Kämmprozess hergestellt wurde.
Kompaktgarn: Mit einem Verdichtungs- bzw. Kompaktierungssystem hergestelltes Garn.
Large Tow: Faserkabel (auch Roving genannt), dass aus 48.000 (48K) oder mehr
Einzelfilamenten besteht.
Matrix/Matrixsystem: Matrix oder Matrixsystem ist eine Bettungsmasse auf Kunststoff-,
Metall-, Keramik- oder auch Ligninbasis und stellt eine Komponente für die Herstellung von
Faserverbundwerkstoffen dar.
Nm: Einheit für die Garnfeinheit in
. Nm 1 bedeutet, dass 1 Meter Garn 1 Gramm wiegen, Nm
100 bedeutet, dass 100 Meter Garn 1 Gramm wiegen.
Precursor: Filament aus PAN, Viskose oder Pech, das als Ausgangsmaterial für die Herstellung
von Carbonfasern dient.
Preform: Preforms sind endkonturnahe, trockene textile Konstruktionen.
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Prepreg: Prepregs sind mit einem Matrixsystem vorimprägnierte, textile Halbzeuge.
Primär-Carbonfaser: Neu produzierte Carbonfaser
Pyrolyse: Die Pyrolyse bzw. pyrolytische Zersetzung ist eine thermo-chemische Spaltung
organischer Verbindungen, wobei durch hohe Temperaturen (200–900 °C) ein Bindungsbruch
innerhalb großer Moleküle in kleinere erzwungen wird.
Quantil: Ein Quantil ist ein Lagemaß in der Statistik. Anschaulich ist ein Quantil ein
Schwellwert: ein bestimmter Anteil der Werte ist kleiner als das Quantil, der Rest ist größer.
Das 25%-Quantil beispielsweise ist der Wert, für den gilt, dass 25% aller Werte kleiner sind als
dieser Wert.
Quartile: Quartile (lateinisch „Viertelwerte“) sind die Quantile 25%-Quantil, 50%-Quantil (=
Median) und 75%-Quantil, die auch als Q1 („unteres Quartil“), Q2 („mittleres Quartil“) und Q3
(„oberes Quartil“) bezeichnet werden. Sie sind die in der Statistik mit am häufigsten
verwendete Form der Quantile.
Quartil: Ein Quartil ist ein Lagemaß in der Statistik. Das 25%-Quartil ist der Wert, für den gilt,
dass 25% aller Werte kleiner sind als dieser Wert bzw. 75% aller Werte größer sind als dieser
Wert. Das 75%-Quartil ist der Wert, für den gilt, dass 75% aller Werte kleiner sind als dieser
Wert bzw. 25% aller Werte größer sind als dieser Wert.
Quartilsabstand: Der Quartilsabstand bezeichnet die Differenz zwischen dem oberen und dem
unteren Quartil (25%-Quartil und 75%-Quartil) und umfasst daher 50 % der Verteilung. Der
Quartilsabstand wird als Streuungsmaß verwendet.
REM: Abkürzung für Rasterelektronenmikroskop. Bei einem Rasterelektronenmikroskop wird
ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster über das vergrößert abzubildende Objekt
geführt (gerastert) und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines
Bildes des Objekts genutzt.
Ringgarn: Nach dem Ringspinnverfahren hergestelltes Garn.
Ringspinnmaschine: Maschine zur Herstellung eines Ringgarns durch Verzug des Vorgarns bis
zur gewünschten Feinheit, Drehungserteilung und Aufwinden des fertigen Garns auf einen
Wickelkörper (Cops).
S-Drehung / S-Draht: Garndrehung, bei der die Drehungslinien auf der Garnoberseite ein „S“
bilden. (Rechtsdrehung)
Small Tow: Faserkabel (auch Roving genannt), dass aus bis zu 24.000 (24K) Einzelfilamenten
besteht.
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Solvolyse: Bezeichnet in der Chemie die Reaktion mit einem Lösungsmittel, wobei es zum
Bruch der chemischen Bindung kommt.
Stapelfasern: Fasern, denen im Gegensatz zu endlosen Filamenten eine gewisse Länge
zugeordnet werden kann.
Stapellänge: Durchschnittslänge aller Spinnfasern aus einer Faserprobe, ein Gradmesser für
den technischen Spinnwert.
Z-Drehung / Z-Draht: Garndrehung, bei der die Drehungslinien auf der Garnoberseite ein „Z“
bilden. (Linksdrehung)
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
1 Zusammenfassung
Das Projekt hat das Ziel, durch die Herstellung eines Spinnfasergarns aus von der CFK-
Produktion sowie End-of-Life-Bauteilen wiedergewonnenen Carbonfasern die CO2-Bilanz der
Primär-Carbonfasern zu verbessern. In Phase I des Projektes, die dieser Bericht zusammenfasst,
wurde eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, indem das für das Spinnen zwingend
notwendige Vorprodukt in Form eines Bandes gelingen musste. Die hierbei besonders hohe
technische Herausforderung liegt darin, die Faservorlage von wirren, recycelten Carbonfasern
in eine parallelisierte, faservereinzelte Bandform zu bringen. Die Querkraftempfindlichkeit der
Carbonfaser stellt dabei das größte Problem dar.
Die Überführung von recycelten Carbonfasern in ein Spinnfasergarn stellt im Gegensatz zu
gegenwärtigen Recyclingmethoden für Produktionsabfälle und CFK-Bauteile ein Upcycling
dar, das Produkt aus recyceltem Material erhält somit einen höheren Wert. Daraus ergeben sich
völlig neue Vermarktungsmöglichkeiten.
Als Kooperationspartner und Dienstleister stand uns das ITV Denkendorf mit der Einrichtung
eines Versuchsraumes und der Hilfe bei der Realisierung der Versuche zur Seite. Die von der
SGL Group zur Verfügung gestellten recycelten Carbonfasern wurden umfassenden Prüfungen
unterzogen. Verschiedene Ansätze zur Bandherstellung mit 100% recycelten Carbonfasern und
in Mischung mit Polyamidfasern wurden unternommen. In den durchgeführten Tests konnte
nachgewiesen werden, dass die Bandherstellung realisierbar ist, erste Gehversuche in der
Weiterverarbeitung zu einem Garn zeigten ebenfalls Erfolge.
Das positive Ergebnis dieses Projekts ermöglicht als nächste Entwicklungsstufe ein
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern sowie die Prüfung von Materialkennwerten neuer
Produkte aus diesen Garnen.
Dieses Entwicklungsprojekt wurde gefördert unter dem Aktenzeichen 29910 von der Deutschen
Bundesstiftung Umwelt.
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
2 Einleitung
Carbonfasern - Kein Werkstoff bietet bessere Materialeigenschaften für den extremen
Leichtbau. Auf Grund der hoch anisotropen Struktur sind die Carbonfasern durch
herausragende mechanische Eigenschaften bei geringer Dichte sowie durch eine sehr hohe
Steifigkeit und Festigkeit in Faserachsrichtung gekennzeichnet und finden deshalb vor allem im
Verbundwerkstoffsektor Anwendung.
Seit dem Einsatz von Kohlefäden aus verkohlten Pflanzenfasern (v.a. Bambus) als Glühmaterial
in den frühen Glühlampenkonstruktionen von Thomas Alva Edison Ende des 19. Jahrhunderts
ist viel Zeit vergangen. Nach der Erfindung von Metallwendeln aus zunächst Osmium, dann
Tantal und schließlich Wolfram sank das Interesse an Kohlefäden. In den 1940er Jahren wurden
erstmals in den USA Glasfasern zur Lagefixierung in Harz eingebettet. Aber erst in den 1950er
Jahren griff man vermehrt auf die Kohlenstofffaser zurück, Grund war die Forderung der
Luftfahrtindustrie nach festen und gleichsam leichten Bauweisen.
Im Flugzeugbau ist die Verwendung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK)
heutzutage schon zur Normalität geworden. Auch in der Formel 1 überzeugt die
Crashsicherheit von Faserverbundwerkstoffen mit Carbonfasern bereits seit 30 Jahren. In der
gängigen Pkw-Produktion nehmen Leichtbau-Konzepte inzwischen rasant an Fahrt auf.
Aktuelles Beispiel sind die BMW i Modelle, deren Fahrgastzellen vollständig aus
carbonfaserverstärktem Kunststoff bestehen um das Mehrgewicht der elektrischen Batterie
auszugleichen. Bei gleichzeitig hochfesten, crashsicheren Materialeigenschaften erweisen sich
Carbonfaser-Verbundwerkstoffe als um 50 % leichter als Stahl und rund 30 % leichter im
Vergleich zu Aluminium. Für die weltweit angestrebte Elektromobilität ist die potenzielle
Gewichtsersparnis von erheblicher Bedeutung, denn pro 100 kg eingespartem
Automobilgewicht könnten etwa 0,3 l/100 km Äquivalent Treibstoff eingespart und damit die
begrenzte Reichweite der heute verfügbaren Batteriesysteme deutlich erhöht werden. Weitere
Einsatzmöglichkeiten von Carbonfasern und CFK finden sich im Maschinenbau,
Sportgerätebau, als Bewehrungsmaterial im Textilbeton, als leitende Elemente in Bauteilen oder
in Schutzkleidung mit überwachenden Funktionen. Des Weiteren können die Carbonfasern in
Form von Filzen als thermisches Isoliermaterial für hohe Betriebstemperaturen oder als
Packungsschnüre für temperaturbeständige und korrosionsfeste Wellendichtungen sowie als
Vliesstoffe für Brennstoffzellen Verwendung finden.
Wegen des Eigenschaftsspektrums und des vorhandenen Potenzials für verschiedene
Wirtschaftszweige ist die Produktion von Carbonfasern stetig angestiegen. Die weltweite
Gesamtkapazität betrug im Jahr 2013 ca. 50.000 Tonnen. Bis 2020 wird hier eine Ausweitung der
Produktions- und Verarbeitungskapazitäten auf 130.000 t erwartet. Der Hauptanteil der
produzierten Menge an Carbonfasern (>97 %) wird zu Verbundmaterialien aller Art
verarbeitet, deshalb entwickelt sich der Carbon-Composites-Markt parallel zum CF-Markt. Die
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Tonnage fällt naturgemäß aufgrund des Matrixanteiles bei CFK deutlich höher aus. Analysten
schätzen den CFK-Markt nach wie vor als einen soliden Markt mit hohem Wachstumspotential
ein. Man geht von mindestens 13 %, Optimisten von ca. 17 % jährlichem Wachstum aus. 2012
wurden ca. 65.000 t CFK-Materialien in den diversen Marktsegmenten abgesetzt.
Technisch hochentwickelte Carbonfasern werden heute als Endlosfasergarn (gebündelte
Filamente = Roving) auf dem Markt angeboten. Einzelnen Unternehmen ist es trotz der
schweren Verarbeitbarkeit und hohen Querkraftempfindlichkeit von Carbonfasern bereits
gelungen, ein Stapelfasergarn aus geschnittenen Rovings zu erspinnen. Carbonstapelfasern
gewisser Längen lassen sich aber auch aus Verschnittabfällen, die während der Herstellung von
CFK anfallen oder beim Recycling von End-of-Life-Bauteilen wiederaufbereitet werden,
gewinnen. Die Carbonfasern liegen hierbei aber im Gegensatz zu Stapelfasern aus
geschnittenem Roving in wirrer Form vor. Für eine Verarbeitung von Fasern zu einem Garn
müssen diese zwingend parallel zueinander angeordnet sein. Bisher ist es noch keinem
Unternehmen gelungen, ein Spinnfasergarn aus recyceltem Carbon zu spinnen. Dieser
Herausforderung möchte sich die Gebrüder Otto GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit dem
ITV Denkendorf stellen. Der Kilopreis für recycelte Fasern liegt bei ca. 3,00 €/kg im Gegensatz
zu mind. 16,00 €/kg für einen Neu-Roving. Um mit Neufasern konkurrieren zu können, dürfen
die Kosten aus recycelter Faser plus Aufbereitung nicht höher als 10 €/kg liegen. Angesichts
heutiger Fertigungskosten von 2,00 €/kg bei einem Garn aus 100% Baumwolle in der Spinnerei
OTTO scheint dies durchaus im Bereich des Machbaren zu sein.
Ein Spinnfasergarn aus recyceltem Carbon ist nicht nur aus Gründen der Kostensenkung für
neue Carbonfasern positiv zu bewerten – vor allem der Umwelt bringt es großen Nutzen.
Carbon ist biologisch nicht abbaubar, was die Frage nach einem geeigneten Recyclingverfahren
aufwirft. Die Herstellung von Carbon verursacht eine beträchtliche CO2-Belastung, die nötigen
Energieaufwendungen sind immens. Umso wichtiger ist es Möglichkeiten einer hochwertigen
Wiederverwendung zu entwickeln. Indem die recycelten Carbonfasern zu einem
Spinnfasergarn weiterverarbeitet werden, können diese dem Wertschöpfungsprozess wieder
zugeführt werden. Das Spinnfasergarn könnte dann wie das Primärfasergarn z.B. für die
Herstellung textiler Halbzeuge genutzt werden. Spinnfasergarne besitzen darüber hinaus
andere interessante Eigenschaften als Filamentgarne, z.B. eine bessere Drapierbarkeit. In
Mischung mit synthetischen Fasern, deren Ausgangsmaterial auch als Matrix in FVW
Verwendung finden, ließen sich anwendungsorientierte Hybridgarne realisieren.
In der ersten Phase des Projektes war beabsichtigt aus den recycelten Carbonfasern ein Band
herzustellen. Im Bereich des Machbaren sollten die Carbonfasern rein und in Mischung mit
einer synthetischen Faser verarbeitet werden. Das Herstellen von Bändern mit parallelisierten
Fasern ist die wichtigste Vorstufe zur Erspinnung eines Garns. Das Gelingen der Projektphase I
ist somit entscheidend für die Realisierung des Projektziels, der Produktion eines
Spinnfasergarnes, das in einer anschließenden Projektphase II verwirklicht werden soll.
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Um erste Versuche zu ermöglichen, galt es, die nötigen Voraussetzungen für dieses Projekt zu
schaffen. Dies betrifft die Beschaffung und die Modifikation von Maschinen, die Auslagerung
sämtlicher Elektronik, die Sicherstellung des richtigen Klimas, die Vorbehandlung der
Carbonfasern, eine angepasste Arbeitskleidung und diverse Sicherheitsvorkehrungen, da das
Risikopotential des elektrisch leitenden Carbonstaubs nicht zu vernachlässigen ist.
Nach der Einrichtung eines entsprechenden Versuchsraumes, dass den nötigen
Sicherheitsvorkehrungen entspricht und den umgesetzten Maßnahmen zum Personenschutz
bestand leider sehr lange das Problem, dass wir keine recycelten Carbonfasern zur Verfügung
gestellt bekommen haben. Dieser Umstand kostete letztendlich so viel Zeit, dass das Projekt um
ein halbes Jahr verlängert werden musste.
Von der SGL Group erhielten wir letztendlich zwei verschiedene Varianten an recycelten
Carbonfasern, die mit thermischen und chemischen Recyclingverfahren aus bereits verharzten
Bauteilen wiedergewonnen wurden. Nach eingehenden Faseruntersuchungen wurde
beschlossen, die recycelten Carbonfasern rein sowie in Mischung mit Polyamid zu einem Band
zu verarbeiten.
Schlussendlich ist es mit den richtigen Maschinenelementen und optimierten Einstellungen
geglückt, Bänder aus 100% recycelten Carbonfasern und in den Mischungen 40/60%
Carbon/Polyamid und 15/85% Carbon/Polyamid zu fertigen. In der verbliebenen Restzeit im
Projekt konnte sogar ein erster Prototyp eines Hybridgarnes ersponnen werden.
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3 Hauptteil
3.1 Grundlagenrecherche Carbon
3.1.1 Herstellung von Carbonfasern
Da für die Herstellung von Carbonfasern durch kontrollierte Pyrolyse an die
Ausgangsmaterialien ausschlaggebende Bedingungen, wie Erspinnbarkeit, Unschmelzbarkeit,
geringer Kohlenstoffverlust während des thermischen Abbaus und leichte Umstrukturierung
des Kohlenstoffgerüstes zur Graphitstruktur sowie Beibehaltung der Faserform, gestellt
werden, stehen vor allem PAN und Peche sowie in geringerem Umfang Viskose als Rohstoffe
zur Verfügung. Die Herstellung von Carbonfaserstoffen beruht im Wesentlichen auf zwei
Methoden, bei denen ähnliche Prozesse zum thermischen Abbau der Ausgangsmaterialien, der
sogenannten Precursor, mit dem Ziel der Realisierung eines sehr hohen Kohlenstoffgehaltes
ablaufen.
Nach der Erspinnung des Precursors folgen die eigenschaftsbestimmenden Verfahrensstufen
Verstreckung, Stabilisierung (Oxidation), Carbonisierung und Graphitierung mit dem Ziel der
maximalen Ausrichtung der synthetisierten Graphitschichten in Faserlängsrichtung zur
Erreichung von extrem hohen mechanischen Eigenschaften. Dabei üben die Qualität der
Precursormaterialien und die ausgewählten Prozesstemperaturen wesentlichen Einfluss auf
extrem hohe Festigkeit bzw. extrem hohen E-Modul aus. Für die weitere Verarbeitung und den
erfolgreichen Einsatz ist eine Oberflächenbehandlung unabdingbar.
Abbildung 1 Schema Carbonfaserherstellung
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.1.2 Technische Eigenschaften von Carbonfasern
Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die positiven sowie negativen technischen
Eigenschaften von Carbonfasern:
Positiv Negativ
Höchste spezifische Festigkeit Gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit (nicht gewünscht)
Höchster spezifischer E-Modul Hohe Sprödigkeit
Niedrige Dichte Hohe Querkraftempfindlichkeit
Keine Korrosion Sehr scheuerempfindlich
Keine Materialermüdung Schlecht verarbeitbar
Hoch chemisch beständig Hoher Faserabrieb
Geringe Wärmeausdehnung Energieaufwendige Produktion
Gute Warmfestigkeit Teuer
Keine Feuchteaufnahme
Unmagnetisch
Gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit
Hohe Dauerschwingfestigkeit
Unbrennbar
Tabelle 1 Technische Eigenschaften von Carbonfasern
3.1.3 Vergleich Baumwolle mit Carbon
Um die hohe Divergenz zwischen der Naturfaser Baumwolle und der synthetisch hergestellten
Carbonfaser aufzuzeigen dient untenstehende Tabelle als eine anschauliche Gegenüberstellung
in den wichtigsten Eigenschaften:
Eigenschaft Baumwollfaser Carbonfaser
Querschnitt und Längsbild Nieren- bzw. bohnenförmig, schraubenartig gedreht
Rundlicher Querschnitt mit Längsrillen
Substanz Cellulose 93-98,5 % Kohlenstoff, Rest: H, N, O
Feinheit 1-4 dtex (~14-16 µm) 5-12 µm (~0,9 dtex)
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Länge 10-60 mm Endlos bzw. beliebige Länge
Dichte ρ=1,5-1,54 g/cm³ ρ=1,7-1,9 g/cm³
Stahl: ρ=7,8 g/cm³
Feinheitsfestigkeit (Normalklima)
350-700 N/mm² 2000-5000 N/mm²
Stahl = 1750-2250 N/mm²
Höchstkraftdehnung 6-10 % 0,4-2,0 %
Feuchtigkeitsaufnahme
Bei Т=21°C, φ=65 % Bei Т=24°C, φ=95 %
7-11 %
14-18 %
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Die Carbonfaser ist mit einem Durchmesser von 5-12 µm so fein, dass es schwierig ist, sich diese
vorzustellen. Die REM-Aufnahme eines menschlichen Haares und einer Carbonfaser ver-
deutlicht die hohe Feinheit und veranschaulicht diese am besten.
Abbildung 3 Carbonfaser (6 µm) im Vergleich zu einem menschlichen Haar (50µm)
3.1.4 Komponenten für carbonfaserverstärkte Kunststoffe
Für die Produktion von CFK eignen sich je nach Anwendungsprofil Carbonfasern in folgenden
Formen:
Mahlgut
Kurzfasern
Textile Strukturen
o Bänder
o Gewebe
o Multiaxiale Gelege
Textile Halbzeuge
o Prepregs
o Preforms
Abbildung 4 Komponenten für CFK
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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.1.5 Grundsätzlicher Aufbau von Faserverbundwerkstoffen
Der Aufbau von Faserverbundwerkstoffen lässt sich anhand folgenden Schemas vereinfacht
darstellen:
Hochleistungs-Verstärkungsfaser
Glas-, Aramid-, Carbon-, Naturfasern
Gewebe, Gestricke, Geflechte, Vliese, Gelege
+
Bettungsmasse (Matrixsysteme)
Duroplast-(Harz)systeme: Epoxid, Vinylester, Plexiglas,…
Thermoplastsysteme: PP, PA, PES, PS, PI,…
Elastomersysteme: Neopren
Metallmatrixsysteme: Al, Mg
Keramiksysteme: Siliciumcarbid
Natursysteme: Lignin
+
Pressen und Aushärten
=
Bauteil
Tabelle 3 Schematischer Aufbau von Faserverbundwerkstoffen
Grundsätzlich bestehen die faserverstärkten Verbundwerkstoffe aus mindestens drei
Komponenten. Die Hochleistungsfasern zeichnen sich durch ihre enorm hohen Zugfestigkeiten
und Elastizitätsmoduln aus und übernehmen deshalb die verstärkende und lasttragende
Funktion eines Faserverbundwerkstoffes. Sie nehmen Zugkräfte auf und übertragen diese. Die
formgebende Matrix ist für die Krafteinleitung in die Faser zuständig und kann zusätzlich
Druckkräfte aufnehmen. Sie fixiert die Verstärkungsfasern in der gewünschten räumlichen
Orientierung, damit der Faserverlauf mit der Kraftflussrichtung im Bauteil übereinstimmt.
Außerdem bietet die Matrix den Fasern Schutz vor mechanischen, chemischen oder
thermischen Einwirkungen und kann gegebenenfalls Faserbrüche überbrücken. Aus den
Grenzflächen von Verstärkungsfaser und Matrix und dem Übergangsbereich dazwischen setzt
sich die Grenzschicht zusammen. Von entscheidender Bedeutung für die Kraftübertragung
zwischen den beiden Komponenten Faser und Matrix sowie dem Wachstum vorhandener Risse
ist neben den mechanischen Eigenschaften
10
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
der Einzelkomponenten die Haftfestigkeit des Verbundes. Für eine bessere Haftung zwischen
den Fasern und der Matrix können Haftvermittler in die Grenzschicht eingebracht werden.
Zusätzlich können auch Kernsysteme z.B. aus Schaumstoff mit eingebracht werden um die
Biegesteifigkeit des Faserverbundwerkstoffes zu erhöhen.
Abbildung 5 Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes
Als Verstärkung werden vor allem Carbon-, Glas-, Aramid-, oder Naturfasern entweder in
Form von Kurz- oder Endlosfasern eingesetzt, aber auch daraus herstellte textile Strukturen wie
Gewebe, Bänder, Gestricke, Geflechte, Gelege und Vliese.
Je nach Anwendungsfall kommen für die Matrix, in die die Verstärkungstextilien eingebettet
werden, Duroplaste bzw. Harze (z.B. Epoxidharz), Thermoplaste (z.B. Polypropylen),
Elastomere (z.B. Neopren), Keramik (z.B. Siliciumcarbid), Metalle (z.B. Aluminium) oder auch
Natursysteme (Lignin) in Frage.
3.1.6 Produktionsverfahren für FVW
Prinzipiell kann die Herstellung von Faserverbundbauteilen über 2D-, bzw. 3D-Textilien, Fäden
oder Fasern erfolgen. Die Möglichkeiten in der Produktion von FVW sind sehr vielfältig. Die
folgenden Beschreibungen verschiedener Techniken und Verfahren sind jeweils nur
ausgesuchte Beispiele.
3.1.6.1 Nasslaminieren, Vakuumsack und Autoklavtechnik
Im ersten Schritt werden Gelege, Vliese oder Gewebe und Kerne schichtweise in mehreren
Lagen und unterschiedlichen Winkeln in eine Form drapiert. Mit einem Pinsel wird das
duroplastische Harzsystem eingearbeitet und anschließend mit einer Verdichterrolle eventuell
eingeschlossene Luft (Luftblasen stellen einen Materialfehler dar! Mikrorisse) heraus
gewalkt. Durch Schichten mehrerer Laminateinzelschichten entsteht so nach und nach ein
11
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
definiert laminierter Stapel. Je nach Harzsystem erfolgt die Aushärtung bei Raumtemperatur
oder in einem Ofen. Ist die Vernetzung des duroplastischen Kunststoffes abgeschlossen, so wird
das Produkt durch Entformen und Abfräsen der Kanten in seine endgültige Form gebracht.
Zur Verbesserung der Konsolidierung des Nass-Laminats kann ein Vakuum mittels eines
Vakuumsacks angelegt werden. Dadurch erreicht man eine bessere Entlüftung und
Komprimierung des Laminats und die Gefahr von schädlichen Lufteinschlüssen wird
vermindert.
Zusätzlich kann der komplette Aufbau von Form mit Laminatstapel und Vakuumsack in einen
beheizten Autoklaven gegeben werden. Unter erhöhtem Druck und Vakuum wird für eine
noch bessere Komprimierung und Entlüftung des Laminatstapels gesorgt. Die Autoklav-
Technik wird vor allem für höher belastete, tragende Bauteile, wie sie in der Luft- und
Raumfahrttechnik gebraucht werden, eingesetzt.
3.1.6.2 Prepregs: Vorimprägnierte Halbzeuge
Beispiel: Duroplastische Endlosfaserprepregs
Dabei handelt es sich um UD-Gelege, Geflechte oder Gewebe die mit Duroplastharzmatrices
getränkt wurden. Durch Wärme wird das Harz vorvernetzt und anschließend sofort abgekühlt
und zu einer Rolle aufgewickelt. Die Aushärtung wird durch den Kühlprozess weitgehend
gestoppt, bei -18°C ist ein solches Prepreg (Preimpregnated = Vorimprägniert) ein halbes Jahr
lagerfähig.
Möchte man das Prepreg zu einem Bauteil weiterverarbeiten, so wird dieses entweder manuell
oder mit Robotern in eine beheizte Form gelegt. Durch die Aufheizung verflüssigt sich das Harz
und der Prepreg-Laminat-Stapel kann sich der Form sehr gut anpassen. Auch hier wird für eine
bessere Konsolidierung und somit für hochwertigere Bauteile mit dem Vakuumsackverfahren
und zumeist auch mit Autoklaven gearbeitet. Die beheizte Form lässt das Harz wenig später
aushärten. (Je höher die Temperatur, desto schneller vollzieht sich die Vernetzung.
Abbildung 6 Schema Handlaminierverfahren + Vakuumsack- und Autoklavtechnik
12
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 7 Herstellungsprinzip duroplastischer Prepregs
3.1.6.3 Injektionsverfahren mit duroplastischer Matrix:
Anders als beim Vakuumsackverfahren werden beim Injektionsverfahren nicht nur eine Form
sondern zweiteilige Formwerkzeuge (Ober- und Unterform) eingesetzt. Trockene 2D- oder 3D-
Textilien werden in die untere Hälfte eingelegt, das Formwerkzeug wird mit der Oberform
geschlossen und anschließend wird das Harz eingespritzt. Ein angebrachtes Vakuum kann das
Durchziehen der Textilien mit dem Harz noch verbessern bzw. beschleunigen. Ein Vorteil zum
Vakuumsackverfahren ist, dass durch die 2 Formhälften auf beiden Seien des Bauteils eine
schöne Oberfläche entsteht.
Beispiel: RTM-Verfahren
Resin Transfer Moulding bedeutet das Formen von Bauteilen mittels Harzinjektion.
Verstärkungstextilien (Gewebe, Multiaxialgelege, Glasfaservliese) werden zugeschnitten, in die
untere Formhälfte gelegt und das Werkzeug wird geschlossen. Das Harz (üblicherweise
ungesättigtes Polyesterharz) wird injiziert und härtet durch das beheizte Werkzeug aus.
Anschließend folgt die Entformung und Kantenbearbeitung mit einer Fräse, Wasserstrahl oder
Laser.
13
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 8 Prinzip des RTM-Verfahrens
Beispiel: RIM-Verfahren
Reaction Injection Moulding bedeutet das Formen von Bauteilen mit hochreaktiven
Komponenten Polyurethanharzen (Isocyanat und Polyol), die mit sehr hohem Druck in das
Formwerkzeug eingespritzt werden und unmittelbar danach sofort aushärten. Das RIM-
Verfahren wurde entwickelt, da es im Gegensatz zum RTM-Verfahren deutlich schneller ist. Die
Zeit- und damit Kostenersparnis ist vor allem für den Automobilbau von entscheidender
Bedeutung.
Für das RIM-Verfahren gibt es 2 verschiedene Varianten. Bei der S-RIM-Technik (Structural
RIM) werden wie beim RTM-Verfahren Vliese, Gelege oder Gewebe in die Form eingelegt.
Oftmals sind Ober- und Unterform in eine Presse integriert, welches das Verfahren durch
schnelles Schließen und Öffnen der Formen nochmals beschleunigt. Bei der R-RIM-Technik
(Reinforced RIM) werden dem Polyol vor der Injektion kurze Glasfasern zugemischt. Die
Glasfasern dienen anstatt von eingelegten Textilien der Verstärkung der Bauteile.
Die S-RIM-Technik wird für höher belastete, tragende Bauteile und die R-RIM-Technik eher für
niedrig belastete Bauteile verwendet.
3.1.6.4 Direktverarbeitungsverfahren
Die Direktverarbeitungsverfahren sind Techniken, bei denen das Bauteil durch den Prozess
annähernd in seiner vorgesehenen Form entsteht. Eine anschließende Umformung folgt nicht.
14
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Beispiel Wickeltechnik
Bei der Wickeltechnik wird ein sich drehender Kern mit einem oder mehreren Fäden
umwickelt. Die Wicklung kann parallel, über Kreuz oder z.B. auch über die Pole an beiden
Enden des Kerns erfolgen.
Abbildung 9 Umfangswicklung und Kreuzwicklung
Dafür werden die Fäden vor der Bewicklung mit Harz getränkt. Möglich ist aber z.B. auch das
Aufwickeln von Prepregs wie Hybridgarnen. Je nach Matrixsystem erfolgt die Aushärtung
durch Wärme (flüssiges Duroplast verfestigt sich) oder durch Abkühlung der vorher durch
Erwärmung verflüssigten Matrix. (aufgeschmolzenes Thermoplast erhärtet unter Abkühlung).
Die Wickeltechnik eignet sich für rotationssymmetrische Formteile und wird z.B. für die
Herstellung von Druckbehältern oder Ölpipelines verwendet.
Abbildung 10 Prinzipskizze einer Wickelanlage und mögliche Wickelformen
15
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Beispiel Pultrusion (Strangziehen)
Bei der Pultrusion handelt es sich um eine kontinuierliche Herstelltechnik für
endlosfaserverstärkte Profile, die anschließend auf die gewünschte Länge zugesägt werden
können. Mehrere Rovings oder Textilien (z.B. 3D-Geflechte) werden kontinuierlich durch das
Pultrusionswerkzeug gezogen und härten darin aus. Die Imprägnierung mit einer
Duroplastmatrix kann vor dem Werkzeug stattfinden, direkt ins Werkzeug gespritzt werden
oder man verwendet Prepregs. Bei der Thermoplastpultrusion kommen nur Prepregs wie
Hybridgarne, bzw. Hybridtextilien zum Einsatz. Es ist aber auch eine zusätzliche Injektion einer
Thermoplastschmelze mit einem Extruder in das Werkzeug ist möglich.
Abbildung 11 Standardversion einer Pultrusionsanlage
3.1.7 Vorteile bzw. Motivation für den Einsatz von FVW
Geringe Masse
Hohe spezifische Festigkeit
Hohe spezifische Steifigkeit
Hohe Laufgeschwindigkeit
Laufruhe durch Schwingungsdämpfung
Hohe Dauerfestigkeit + Dämpfungseigenschaften: sehr geringe Materialermüdung
Sehr gute chemische Beständigkeit: gegenüber Säuren, Laugen, Salzwasser…
Leichte Montage und Demontage
Niedrige Wartungskosten
Geringe Stillstandzeiten
Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften: belastungsorientierte Bauteilgestaltung
Kostenreduzierung durch integrale multifunktionale Bauweise mit wenigen Einzelteilen:
mehrere Bauteile mit unterschiedlichen Funktionen zu einem Teil zusammengefasst
16
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Hohes gewichtsbezogenes Energieabsorbtionsvermögen
einfache designfreundliche Verarbeitung
Geringe Wärmeausdehnung : Erhaltung der Funktionstüchtigkeit und Präzision
gutes Preis/Leistungsverhältnis bei geringen Stückzahlen (
17
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
3.2.1 Maßnahmen für den Personen- und Maschinenschutz
Im Umgang mit einem Material wie Carbon, dass bekanntlich elektrisch leitfähig und äußerst
spröde ist gilt es gewisse Maßnahmen zu treffen um Gefahren für die Humangesundheit
auszuschließen und den Schutz von Maschinen zu gewährleisten.
3.2.1.1 Personenschutz am ITV
Aufgrund der aktuell sehr kontroversen Berichterstattung in den Medien über die Risiken von
Carbonfasern, insbesondere der Carbonfaserstäube sowie der nach wie vor strittigen Frage ob
bei der Verarbeitung von Carbonfasern so genannte WHO-Partikel (lungengängige Partikel die
eine kanzerogene Wirkung zeigen) entstehen. Vorallem bei der mechanischen Bearbeitung
durch die Krempel, wird seitens des ITV ein Höchstmaß an Vorsicht geboten. Zum Schutz der
Mitarbeiter kommen Einweghandschuhe, ein Einmalschutzanzug sowie ein
Überdruckatemsystem, das den Mitarbeiter mit gefilterter Druckluft aus dem
Druckluftnetzwerk versorgt, zum Einsatz.
Abbildung 13 Sicherheitsmaßnahmen für den Gesundheitsschutz
3.2.1.2 Maschinenschutz am ITV
Sofern es möglich ist, werden alle elektrischen Komponenten aufgrund der elektrischen
Leitfähigkeit der Carbonfasern in der Schutzklasse IP 65 ausgeführt. Bei Maschinen wird darauf
geachtet, so wenig elektrische Komponenten als möglich einzusetzen.
Zudem ist darauf zu achten, dass die Maschinen für die Mitarbeiter im Schutzanzug bedienbar
und im Notfall jederzeit abschaltbar sind.
18
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.2.2 Untersuchung und Prüfung der Faserrohstoffe
Aufgrund der hohen Empfindlichkeit und der eletrischen Leitfähigkeit der Carbonfaser ist es
nicht möglich, diese mit in der Textilindustrie gängigen Prüfgeräten zu untersuchen. Lediglich
die Prüfung der feinheitsabhängigen Einzelfaserfestigkeit, die eine der wichtigsten
Qualitätskontrolltestmethoden darstellt, ist auf speziell dafür entwickelten Prüfgeräten
möglich. Für die Bestimmung weiterer Fasereigenschaften muss man zum Teil auf eher
unkonventionelle Methoden zurückgreifen.
3.2.2.1 Eingesetzte Fasern
Für die Versuche zur Herstellung eines Bandes wurden uns von der SGL Group zwei recycelte
Carbonfaser-Varianten zur Verfügung gestellt. Bei den beiden Varianten handelt es sich um aus
CFK mittels thermischer und chemischer Entharzung wiedergewonnene Carbonfasern. Zur
Vereinfachung wurden die Varianten als „Variante A“ = thermische Entharzung und „Variante
B „= chemische Entharzung bezeichnet.
Bei den in diesem Vorhaben verwendeten Polyamid 6-Fasern handelt es sich um Fasern der
Firma Barnet mit einer Faserfeinheit von 1,7 dtex und einer Faserlänge von 40 mm.
3.2.2.2 Einzelfaserlängenbestimmung
Die Prüfung der Carboneinzelfaserlänge wird im Normklima durchgeführt, d.h. 20 ± 2 °C und
65 ± 4 % relative Luftfeuchtigkeit.
Bei Carbonfasern erfolgt die Einzelfaserlängenmessung mit dem Zwei-Pinzetten-Verfahren. Die
Basis für diese Messmethode bilden die Norm DIN 53803 „Probennahme“ und die Norm DIN
53808-1 „Längenbestimmung an Spinnfasern“. Eine Auswertung der Längenmessung erfolgt
anhand der Normen DIN 53804-1 und DIN 53805:1980-10.
Zur Messung der Einzelfaserlänge werden die zu untersuchenden Carbonfasern auf einem
dunkeln Stoff unter einer Lupe ausgelegt. Mit einer Pinzette wird eine Faser an einem Ende aus
der Faseransammlung gezogen. Mit der zweiten Pinzette wird am anderen Ende der Faser eine
Spannung aufgebracht, so dass die Faser ohne Kräuselung vorliegt. Die gestreckte Faser wird
mit einem Lineal gemessen. Abweichend von der Norm wird jede und nicht jede 10. Faser
vermessen, da bei Carbonfasern der Aufwand zur Faservereinzelung ohne diese zu schädigen
sehr hoch ist.
Das Ergebnis der Einzelfaserlängenmessung ergibt eine Verteilung der Carbonfaserlänge.
In Abbildung 14 ist zu erkennen, dass es sich bei der Faserlängenverteilung nicht immer um
eine Normalverteilung handelt. Aus diesem Grund können die üblichen Statistikkennwerte wie
Varianz und Standardabweichung nur begrenzt verwendet werden.
19
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Zur Beurteilung der Einzelfaserlänge wird zum einen der Medianwert, dieser ist nicht so
anfällig auf Ausreißer wie der Mittelwert, zum anderen das Quartil 1 (0,25-Quartil) und das
Quartil 3 (0,75- Quartil) verwendet. Die Quartile geben an, in welchem Faserlängenbereich 25 %
bzw. 75 % der Fasern liegen.
3.2.2.2.1 Messergebnisse Carbon-Variante A
Anzahl Werte 150
Mittelwert 43,7 mm
Min-Wert 3,0 mm
Max-Wert 112,0 mm
Median 38,5 mm
Quartil 1 (25%-Quartil) 23,0 mm
Quartil 3 (75%-Quartil) 62,0 mm
Quartilsabstand (75%-25%) 39,0 mm
Tabelle 4 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante A
Abbildung 14 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A
20
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 15 Summenhäufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A
3.2.2.2.2 Messergebnisse Carbon-Variante B
Anzahl Werte 150
Mittelwert 40,1 mm
Min-Wert 2,0 mm
Max-Wert 115,0 mm
Median 38,0 mm
Quartil 1 (25%-Quartil) 27,3 mm
Quartil 3 (75%-Quartil) 51,0 mm
Quartilsabstand (75%-25%) 23,75 mm
Tabelle 5 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante B
21
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 16 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante B
Abbildung 17 Summenhäufigkeit Einzelfasermessung Carbon-Variante B
22
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.2.2.3 Einzelfaserfestigkeitsprüfung
Die Messung der Einzelfaserfestigkeit erfolgt mit Hilfe des Favimat der Firma TexTechno in
Anlehnung an die DIN53816. Zur Messung der Einzelfaserfestigkeit muss mit Hilfe einer
Pinzette eine Carbonfaser isoliert und vorgespannt in eine Klemme eingespannt werden
(Einspannlänge 20 mm). Je nach Ausführung des Favimat können mehrere Fasern
nebeneinander eingespannt vorgelegt werden, die im Prüfzyklus automatisch in die Prüfzone
transportiert und vermessen werden.
Zur Bestimmtung der Einzelfaserfestigkeit wird jede zur Prüfung eingespannte Faser bis zum
Versagen der Faser belastet und die dazu notwendige Kraft erfasst. Die Prüfgeschwindigkeit
beträgt 1 mm/min.
3.2.2.3.1 Messergebnisse Carbon-Variante A
Abbildung 18 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A
23
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 19 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A
24
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.2.2.3.2 Messergebnisse Carbon-Variante B
Abbildung 20 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B
25
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 21 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B
3.2.2.4 Schliffbilder – Faserquerschnittsbetrachtung
Ein Schliffbild ermöglicht die optische Beurteilung z. B. der Faserquerschnitte. Auch
Längsschnitte können auf ein sehr kurzes Stück beschränkt, betrachtet werden.
Zur Herstellung eines Schliffbildes wird der zu untersuchende Prüfkörper, entsprechend der zu
untersuchenden Schnittfläche, in eine Kunststoffmatrix (Kunstharz) eingebettet. Die
Kunststoffmatrix bildet einen Zylinder um den Prüfkörper und durchdringt dessen Strukturen
im Normalfall vollständig sodass jede Faser von der Kunststoffmatrix umschlossen wird.
Sobald die Kunststoffmatrix ausgehärtet ist, kann der entstandene Zylinder geschnitten und die
Schnittfläche poliert werden. Die durch die Politur entstehende Schliffoberfläche wird
abschließend unter dem Makro- oder dem Mikroskop betrachtet.
Das für dieses Vorhaben verwendete Mikroskop ist von der Firma Olympus Typ BX51 mit
einem Kameramodul von Olympus Typ UC30.
26
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 22 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 20-fache Vergrößerung
Abbildung 23 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 40-fache Vergrößerung
Abbildung 24 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 100-fache Vergrößerung
27
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 25 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 20-fache Vergrößerung
Abbildung 26 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 40-fache Vergrößerung
Abbildung 27 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 100-fache Vergrößerung
28
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.2.2.5 REM-Aufnahmen der Fasern
Zur genauen Betrachtung von z. B. der Oberflächenstruktur von Fasern ist die Auflösung eines
Mikroskopes zu gering. In diesem Fall kann mit Hilfe eines Raster-Elektronen-Mikroskops
(REM) eine deutlich höhere Auflösung (bis zu 10 nm in Zeilenrichtung [Quelle : Wikipedia])
erzielt werden.
Bevor die Proben unter dem REM betrachtet werden können, müssen diese auf einem
Probenteller prepariert werden und mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (für die
Untersuchungen dieses Vorhabens Gold) besputtert werden. Zum besputtern der Proben
kommt am ITV ein Balzers Union SCD40 zum Einsatz.
Das für dieses Vorhaben verwendete REM ist von der Firma Zeiss Typ Digital Scanning
Microscope (DSM) 950.
Die Bilder des REM wurden mit Hilfe einer fest installierten digitalen Spiegelreflexkamera EOS
300D abfotografiert und gespeichert.
Abbildung 28 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 200-fache Vergrößerung
Abbildung 29 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 1000-fache Vergrößerung
29
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 30 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 3000-fache Vergrößerung
Abbildung 31 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 200-fache Vergrößerung
Abbildung 32 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 1000-fache Vergrößerung
30
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 33 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 3000-fache Vergrößerung
31
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.2.2.6 Vorversuche am ITV zur Bandherstellung aus recycelten Carbonfasern
Im Rahmen der Vorversuche am ITV Denkendorf wurden die prinzipiellen Möglichkeiten der
Bandherstellung aus recycelten Carbonfasern untersucht.
Hierzu wurden in einem ersten Schritt Versuche an einem MDTA (Micro Dust and Trash
Analyser) durchgeführt. Bei einem MDTA handelt es sich prinzipiell um ein Prüfgerät mit dem
der Schmutzanteil z. B. einer Baumwollcharge ermittelt werden kann. Über die im MDTA
verbaute Auflöseeinheit werden wie bei einer Karde oder Krempel die vorgelegten Fasern
vereinzelt und dabei der Schmutz ausgeschieden. Die vereinzelten Fasern werden in einem
Rotorring abgelegt und können nach Ausschalten der Maschine aus diesem in Bandform
entnommen werden. Das erzeugte Band liegt als Ring vor, mit einer Länge, die dem
Durchmesser des Rotors entspricht. Diese Möglichkeit relativ schnell ein Band zu erzeugen
wurde für die Vorversuche verwendet.
Mit Hilfe der Vorversuche konnte die Verarbeitbarkeit der Carbonfasern überprüft werden. Die
Versuche zeigten eine deutliche Schädigung der Carbonfasern mit jedem Durchlauf durch den
MDTA. Zudem zeigte sich, dass sich unterschiedliche Carbonfasern unterschiedlich gut
auflösen lassen (Abbildung 34, Abbildung 35).
Abbildung 34: Gut aufgelöste Fasern
Abbildung 35: Nicht vereinzelte Faserbündel
3.2.2.7 Modifikation einer Laborkrempel
Eine Krempel ist ein System von Walzen verschiedener Durchmesser, die mit unterschiedlichen
Garnituren (feine Draht- oder Nadelspitzen) besetzt sind, um Fasern aus einer Wirrlage in eine
ausgerichtete Struktur zu überführen.
Die der Krempel vorgelegten Faserflocken werden mit Hilfe der Einzugswalzen über den
Vorreißer dem Tambour zugeführt. Die Aufgabe der Einzugswalzen ist es, das Fasermaterial
32
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
zurückzuhalten, damit der Vorreißer keine Faserbatzen unkontrolliert aus der Faservorlage
reißen kann. Der Vorreißer öffnet das Fasermaterial und übergibt es an den Tambour. Der
Tambour ist die größte Walze einer Krempel. Er transportiert die Fasern vom Einzug zum
Abnehmer. Um den Tambour sind die Arbeitsstellen angeordnet. Sie bestehen aus Arbeiter-
und Wenderwalzen. An diesen Arbeitsstellen werden die Faserflocken bis zur Einzelfaser
aufgelöst und parallelisiert. Am Ende der Arbeiter/Wender-Zone folgt die Faserübergabe an
den Abnehmer. An dieser Stelle streift der schneller laufende Tambour seine Fasern in die
Abnehmergarnitur ab. Die Fasern auf dem Abnehmer müssen entweder von einer weiteren
Abnehmerwalze abgenommen oder mit Hilfe eines Hackers (schwingender Metallkamm) von
der Abnehmergarnitur abgelöst werden.
Nach der Abnahme vom Abnehmer erfolgt bei industriellen Krempeln im Normalfall die
Bandbildung und Bandablage über einen Kannenstock.
Ursprünglich wurde die Krempel zur Verarbeitung von Wolle eingesetzt. Wollfasern haben
eine geringe Festigkeit und sind schon immer ein teurer Rohstoff. Aus diesen Gründen ist eine
möglichst schonende Verarbeitung, ohne große Faserverluste notwendig.
Heutzutage kommt die Krempel meistens im Langstapelbereich oder bei sehr empfindlichen
Fasern wie z. B. Carbon zum Einsatz.
Die für dieses Vorhaben eingesetzte Musterkrempel des ITV wurde 1965 von der Firma
Memminger gebaut und 2012 im Rahmen einer Studienarbeit am ITV mit einem Bandabzug
nachgerüstet. Sie besitzt einen Tambour mit 520 mm Durchmesser und einer Arbeitsbreite von
300 mm. Die Abnahme der Fasern vom Abnehmer erfolgt mittels eines Hackers.
Alle nachfolgenden Daten und Einstellungen wurden über mehrere Studienarbeiten hinweg als
praktikabel nachgewiesen.
Die Krempel wird aktuell diskontinuierlich betrieben und pro Faserband eine Fasermasse von
70 g (das entspricht einem Flächengewicht von 172 g/m²) vorgelegt. Diese Vorlagemasse wird
durch die Musterkrempel begrenzt und ist unter Verwendung einer anderen Krempel und
einer kontinuierlichen Prozessführung neu zu betrachten.
Aufgrund der Tatsache, dass an der Musterkrempel der in der vorhergehenden Beschreibung
einer Krempel erwähnte Vorreißer fehlt, müssen die Polyamid- und Carbonfasern von Hand
vorgeöffnet werden (siehe Abbildung 36).
Die Krempel ist mit einer Ganzstahlgarnitur der Firma Graf ausgestattet, die von der Firma
Graf in Anlehnung an eine Glasfaserverarbeitung (bezüglich der Zahnform und der Spitzen pro
cm) ausgewählt wurde.
Zur Bandherstellung in diesem Vorhaben wurden ausgehend von bisherigen Erfahrungen die
Folgenden Walzenabstände gewählt:
33
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
- Der Abstand zwischen den Arbeitern und dem Tambour verringert sich in
Maschinenlaufrichtung mit jedem Arbeiter um 0,1 mm. Der erste Arbeiter hat
einen Abstand zum Tambour von 0,5 mm. Insgesamt gibt es drei
Arbeiter/Wender-Paare auf dem Tambour.
- Die Wender haben einen Abstand zum Tambour von 0,5 mm.
- Der Abnehmer hat einen Abstand zu Tambour von 0,2 mm.
Die Krempel wird von einem Zentralmotor (380 V, 2,2 kW, 1420 U/min) angetrieben, der über
Ketten-, Riemen- und Zahnradübersetzungen alle Walzen der Krempel antreibt. Der 2012
nachgerüstete Bandabzug wird über einen zusätzlichen Motor (380 V, 0,09 kW, 1380 U/min)
angetrieben.
Die gesamte Steuerungselektronik befindet sich in einem staubdicht abgeschlossenen
Schaltkasten an der Musterkrempel.
Die beiden Elektromotoren der Musterkrempel wurden mit Filtern versehen, um ein
Eindringen von Carbonfaserstaub in die Motoren zu verhindern.
Abbildung 36 Modifizierte Laborkrempel mit Faservorlage
3.2.3 Bandherstellung
Ein Versuchsdurchlauf zur Bandherstellung beinhaltet immer zwei Krempeldurchgänge pro
Faservorlage. Das ist das Ergebnis von Vorversuchen am ITV die im Rahmen mehrerer
Studienarbeiten ermittelt wurden.
Im ersten Durchlauf wird das von der Krempel ausgegebene Faserflor auf der Holzwalze zu
einem Vlies aufdoubliert und durch die Kalanderwalze verfestigt (Abbildung 37).
Der zweite Durchlauf, bei dem das Vlies aus dem ersten Durchlauf vorgelegt wird, ist
notwendig um eine homogene Mischung von Carbon- und Polyamidfasern zu erzielen. Beim
zweiten Durchlauf wird das Faserflor nicht auf die Holztrommel gelegt sondern über den
Bandabzug abgezogen (Abbildung 38).
34
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Der Bandabzug besteht aus zwei gummierten Stahlwalzen, die das Faserband durch einen
Bandtrichter einer Nadelstabstrecke mit 5 mm Durchmesser abziehen. Die untere Walze wird
von dem zuvor beschriebenen zweiten Motor angetrieben, währen die obere Walze vertikal frei
beweglich auf der unteren Walze aufliegt und durch ihr Eigengewicht die notwendige
Presskraft zum Abzug des Bandes aufbringt. Vom Hacker bis zum Bandtrichter werden die
Fasern mit Hilfe eines Faserleitbleches geführt (Abbildung 38).
Aufgrund der Tatsache, dass der Massenstrom am Auslauf der Krempel, bedingt durch das
Speißen der leeren Krempel am Anfang und dem Leerlaufen am Ende des Versuchs, über die
Dauer der Bandherstellung nicht konstant ist, muss die Abzugsgeschwindigkeit über das
Stellrad am Getriebe der Abzugswalzen angepasst werden. Im Mittel liegt die
Abzugsgeschwindigkeit bei etwa 5 m/min.
Abbildung 37 1. Krempeldurchlauf, Vliesbildung auf der Holztrommel (links) Abbildung 38 2. Krempeldurchlauf und Bandbildung (rechts)
3.2.3.1 Versuchsdurchführung
Die Versuchsdurchführung für alle Versuche zur Bandherstellung in diesem Vorhaben wurde
im Detail wie folgt ausgeführt:
- Carbon- und Polyamidfasern abwiegen (Gesamtvorlagemasse 70 g).
- Das Fasergemisch aus Carbon- und Polyamidfasern gleichmäßig auf dem Einzugstisch
verteilen. Dazu die Carbon- und Polyamidfasern von Hand öffnen.
- Die Kalanderwalze auf die Holzwalze setzen.
- Nach dem Start der Krempel die ersten vom Hacker abgelösten Fasern auf die
Holzwalze führen.
35
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
- Krempel stoppen sobald die Arbeiter und Wender leer gelaufen sind.
- Das Vlies von der Holzwalze vollständig ablösen.
- Das Faserleitblech in den Zwischenraum zwischen Holzwalze und Abnehmer
einbauen.
- Kalanderwalze als Presswalze auf die angetriebene Abzugswalze legen.
- Das Vlies der Krempel auf dem Einzug vorlegen (Abbildung 39).
- Die Krempel anlaufen lassen bis ausreichend Flor zur Verfügung steht, um es durch
den Bandtrichter und über die Abzugswalze zu führen.
- Die Krempel und kurze Zeit später den Faserbandabzug starten.
- Den Faserbandabzug stoppen sobald kein Faserband mehr erzeugt werden kann. Die
Krempel stoppen wenn die Arbeiter und Wender leer gelaufen sind.
- Das Faserband in eine Kunststofftüte in eine verschließbare Box ablegen.
Abbildung 39 2. Krempeldurchgang, Vorlage eines C/PA-Vlies aus dem 1. Durchgang
3.2.3.2 Band aus Fasermischung Carbon 15% / Polyamid 85%
Zur Untersuchung der Carbonfaservarianten A und B wurde zunächst ein Mischungsverhältnis
von Carbon- und Matrixfasern gewählt, bei dem nur ein geringer Carbonfaseranteil (15 Vol.-%)
enthalten ist. Solch geringe Carbonfaseranteile könnten z. B. zur Erzeugung elektrisch
leitfähiger Garne verwendet werden. Bei lasttragenden Bauteile wird der geringe Anteil von
Verstärkungsfasern nicht zum Einsatz kommen.
Zur Realisierung des Mischungsverhältnis von 15 Vol.-% Carbon und 85 Vol.-% Polyamid 6
wurden bei einer Gesamtvorlage von 70 g (siehe Kapitel 3.2.2.7) ca. 15,3 g Carbon und 54,7 g
Polyamid vorgelegt. Das entspricht einer Gewichtsverteilung von 22 Gew.-% Carbon und
78 Gew.-% Polyamid.
Die Herstellung des Bandes erfolgt analog der im vorhergehenden Kapitel 3.2.3.1 beschriebenen
Vorgehensweise.
36
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Aufgrund des hohen Anteils an Matrixfasern, die gleichzeitig als Trägerfasern dienen und eine
gute Laufstabilität ermöglichen, traten bei der Verarbeitung keine Probleme auf.
Die problemlose Verarbeitung dieser Fasermischung bestätigen zum einen der geringe
Faserverlust von in etwa 5 % und zum anderen eine Carboneinzelfaserlänge die der Faserlänge
im Ausgangsmaterial entspricht (Tabelle 6).
Während der Versuche ermittelte Kenngrößen:
Faserverlust im Krempelprozess
Carboneinzelfaserlänge
Carbon-Variante A 2,43 g -
Carbon-Variante B 3,89 g 38 mm
Tabelle 6 Messergebnisse Fasermischung C/PA 15/85
3.2.3.3 Band aus Fasermischung Carbon 40% / Polyamid 60%
Im zweiten Schritt wurden analog der Faserbandherstellung mit einem Mischungsverhältnis
von 15 Vol.-% Carbon und 85 Vol.-% Polyamid Faserbänder mit einem Volumengehalt von
40 Vol.-% Carbon und 60 Vol.-% Polyamid hersgestellt.
Ein solches Mischungsverhältnis könnte für typische Faserverbundbauteile eingesetzt werden.
Zur Realisierung des Mischungsverhältnis von 40 Vol.-% Carbon und 60 Vol.-% Polyamid 6
wurden bei einer Gesamtvorlage von 70 g (siehe Kapitel 3.2.2.7) ca. 35,9 g Carbon und 34,1 g
Polyamid vorgelegt. Das entspricht einer Gewichtsverteilung von 51 Gew.-% Carbon und
49 Gew.-% Polyamid.
Während der Versuche, insbesondere bei der ersten Krempelpassage, bei der der Krempel die
von Hand geöffnete und durchmischte Fasermasse vorgelegt wird, kam es zur Wickelbildung.
Die Wickel konnten nur durch das Anhalten der Krempel und ein Öffnen der
Faseransammlung mit Hilfe eines Messers entfernt werden.
Als Grund für die Wickelbildung wird die hohe Anzahl an Fasern gesehen, die sich in einem
Carbonfaserbündel befinden. Wird dieses Bündel in der Vorbereitung nicht vollständig
aufgelöst kann es sein, dass pro Zeiteinheit zu viele Fasern auf die Garnitur gelangen und
dadurch nicht mehr alle Fasern definiert durch die Krempel transportiert werden können.
Ein weiterer Grund für die Wickelbildung kann sein, dass mit zunehmendem Carbonanteil in
der Fasermischung, die Anzahl der Matrixfasern die aufgrund ihrer Kräuselung als Trägerfaser
dienen, relativ zur Anzal der Carbonfasern abnimmt. Dadurch verhält sich die gesamte
Fasermischung anders. Es fehlen die vernetzenden und damit einen Zusammenhalt
37
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
erzeugenden Polyamidfasern, wodurch es zum erhöhten Faserverlust und zum Wickeln
kommt, da die Übergabe von einer Garnitur auf die andere nicht immer funktioniert.
Der Faserverlust besteht zum größten Teil aus Carbonfasern. Besonders anschaulich wird der
Faserverlust bei der Verarbeitung von 100°% Carbon (Abbildung 40).
Um die Wickelproblematik zu lösen wurde darauf geachtet, in der ersten Vorlage von Hand
alle Carbonfaserbündel so weit wie möglich aufzulösen und die aufgelösten Carbonfasern so
gut wie möglich mit den Polyamidfasern zu mischen. Eine gleichmäßige Vorlage über den
gesamten Einzug war ebenfalls entscheidend.
Während der Versuche ermittelte Kenngrößen:
Faserverlust im Krempelprozess
Carboneinzelfaserlänge
Carbon-Variante A 7,92 g -
Carbon-Variante B 7,04 g 27 mm
Tabelle 7 Messergebnisse Fasermischung C/PA 40/60
Für beide Carbonfaservarianten ergab sich ein Bandgewicht von ca. 3,0 g/m.
Die Messergebnisse unterstreichen, verglichen zu den Daten bei einem Mischungsverhältnis
von 15 Vol.-% Carbon und 85 Vol.-% Polyamid, die zuvor angesprochene Problematik des
höheren Faserverlusts und zeigen zudem eine erhöhte Belastung der Carbonfasern, die sich in
einer kürzeren Faserlänge wiederspiegelt.
3.2.3.4 Band aus 100% Carbon
Als letzten Arbeitspunkt wurde die Faserbandherstellung aus 100 % Carbonfasern untersucht.
Die Bandherstellung erfolgte analog der in Kapitel 3.2.3.1 Versuchsdurchführung mit einer
Vorlagemasse von 70 g Carbonfasern.
Aufgrund des Fehlens von Trägerfasern, die aufgrund ihrer Kräuselung und Dehnbarkeit zu
einem vernetzen der Fasern untereinander führen, konnte ein Faserband nur unter einem
enormen Faserverlust von durchschnittlich 35 % (Tabelle 8, Abbildung 40) und unter einer
relativ hohen Belastung der Carbonfasern erzeugt werden. Dennoch war es möglich ein
Faserband herzustellen (Abbildung 41).
Neben dem sehr starken Faserflug wird die fehlende Bandhaftung als sehr kritisch gesehen um
das Fasermaterial in weiterführenden Prozessen, wie z. B. dem Spinnen zu einem Garn zu
verarbeiten.
38
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 40 Carbonfaserflug und Ablagerungen an Maschinenteilen
Abbildung 41 100 % Carbonfaserband
Faserverlust im Krempelprozess
Carboneinzelfaserlänge
Carbon-Variante A 27,80 g 28 mm
Carbon-Variante B 20,66 g 31 mm
Tabelle 8 Messergebnisse 100 % Carbonfasern
Für beide Carbonfaservarianten ergab sich ein Bandgewicht von ca. 2,7 g/m.
Mögliche Lösungen zur Reduzierung des Faserverlustes sind wie bei industriellen Krempeln
übliche Absaugungen an den Arbeitsstellen, die das abgesaugte Fasermaterial der Krempel am
Materialeinlauf erneut zuführen. Ob es sinnvoll ist, die durch den Krempelprozess bereits
39
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
eingekürzten Fasern erneut vorzulegen oder ob diese in anderen Prozessen, z. B. eine
Nassvliesverfahren nicht besser weiterverwendet werden können gilt es zu prüfen.
Eine weitere mögliche Lösung wäre einen vertretbaren prozentualen Anteil an Trägerfasern
beizumischen um die Laufstabilität zu erhöhen und Fasereinbindungspunkte für die glatten
Carbonfasern zu schaffen. Wie hoch der prozentuale Anteil an Trägerfasern sein muss sollte
ebenfalls überprüft werden.
Vergleicht man die Carboneinzelfaserlänge von Carbon-Variante B bei der Verarbeitung von
100 % Carbon mit der Carboneinzelfaserlänge bei der Verarbeitung von 40 Vol.-% Carbon
gemischt mit 60 Vol.-% PA, zeigt sich eine längere Einzelfaserlänge bei der Verarbeitung von
100 % Carbon (Tabelle 7 und Tabelle 8). Allerdings kann daraus nicht darauf geschlossen
werden, dass sich 100 % Carbonfasern besser verarbeiten lassen und ein Faserband mit größerer
Faserlänge entsteht. Viel eher ist die Längendifferenz als Messungenauigkeit bei der
Einzelfaserlängenmessung zu werten. Zur Messung der Einzelfaserlänge muss unter einer Lupe
eine einzelne Carbonfaser von der Prüfperson aus dem Faserverbund gelöst und anschließend
mit einem Lineal vermessen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die sehr feinen Carbonfasern
empfindlich sind und leicht brechen unterliegt das Messergebnis der Einzelfaserlänge
unterschiedlichsten Einflüssen. Diese reichen von der Haftung der einzelnen Fasern
untereinander (z. B. durch Avivage) über die Art der Einbindung der Carbonfaser in den
Faserverband, die Art der Pinzette bis hin zur Prüfperson und deren Tagesverfassung.
Die längere Faserlänge beim 100 % Carbonfaserband im Vergleich zum Faserband aus der
Mischung mit Polyamid kann durch einen geringeren Faserbandzusammenhalt und eine
daraus resultierende schlechtere Einbindung der Carbonfasern in den Faserverband begründet
werden. Durch den geringeren Faserbandzusammenhalt lassen sich die Carbonfasern leichter
vereinzeln wodurch das Risiko eine Faser bei der Entnahme aus dem Faserverband zu
beschädigen sinkt.
Zur Bewertung der Qualität und Verarbeitbarkeit der unterschiedlichen Mischungsverhältnisse
sollte neben der Faserlänge auch das Laufverhalten der Fasern und die Höhe des Faserverlustes
berücksichtigt werden.
Prinzipiell lies sich die Carbonfaservariante B aufgrund des geringeren Fremdfaseranteils
besser verarbeiten als Carbonfaservariante A. Belegt wird diese Aussage durch den um 26 %
reduzierten Faserverlust bei der Verarbeitung von 100 % Carbon (Tabelle 8). Die Fremdfasern in
Variante A führten aufgrund ihrer Beschaffenheit und Länge häufig zur Wickelbildung.
Abschließend kann festgehalten werden, dass die Versuche zur Bandherstellung gezeigt haben,
dass es prinzipiell möglich ist Carbonfaserbänder aus recycelten Carbonfasern herzustellen.
40
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Für eine Umsetzung im industriellem Maßstab müssen die einzelnen Prozessschritte jedoch
tiefergehend erforscht und optimiert werden. Hierzu gehören die Entwicklung einer
faserschonenden Voröffnung der Faserflocken, im Falle einer Mischung mit einem
Matrixmaterial, die Entwicklung einer faserschonenden homogenen Mischungsherstellung, der
kontinuierliche Betrieb der Anlage, die Reduzierung des Faserverlusts, die Adaption der
Anlage an unterschiedliche Carbonfasersorten, die Erhöhung der Bandhaftung von 100 %
Carbonbändern, die Untersuchung des Einflusses von aufgebrachten Hilfsmitteln (Avivagen)
und klimatischen Bedingungen, die Auswahl und Optimierung eines für die gewünschte
Garnstruktur geeigneten Spinnverfahrens, die Anpassung bestehender Maschinentechnologie
an die elektrisch leitfähigen Carbonfasern (in der Textiltechnik übliche kapazitive Messsysteme
sind nicht einsetzbar bei Carbonfasern) sowie die Weiterentwicklung einer bisher unzureichend
geeigneten Messtechnik (z. B. Bestimmung der Einzelfaserlänge) zur Charakterisierung der
Werkstoffeigenschaften.
3.2.4 Erste Versuche zur Garnherstellung
3.2.4.1 Vorhaben und Durchführung
Zur Verspinnung der Bandvorlage wurde ein Spinntester mit 3-Zylinder Streckwerk und
Standard Ringläufersystem T-Flansch 1 eingesetzt (Abbildung 42).
Als Vorlage wurden 3 ktex Bänder
aus
- 100 % recycelten Carbonfasern
(40 mm Faserlänge)
- Mischung Carbon/PA
im Verhältnis
40 Vol.-% / 60 Vol.-%
Faserfeinheit Polyamid 6,
1.7 dtex, 40 mm Faserlänge
Carbonfaser-Variante B
verwendet.
Abbildung 42 Spinntester mit einzelmotorischen Antrieben für Carbonfaserverspinnung
Ausgesponnen werden konnte nur die Mischung aus Carbon- und PA-Fasern zu Garnen der
Feinheit Nm 10 mit einem Drehungsbeiwert m = 120 und mit erhöhter Garndrehung das
feinere Garn Nm 15 mit m = 140 (Abbildung 43).
Das 100 % Carbonband konnte aufgrund seiner sehr geringen Bandhaftung nicht verzogen
werden.
41
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 43 Cops mit Carbon/PA-Garn der Garnfeinheit Nm 10 und Nm 15
3.2.4.2 Probleme, Auffälligkeiten und Lösungen
Probleme bereitete der sehr breite Bandeinlauf (vergleiche Abbildung 42) am
Streckwerkseingang und das Breitlaufen des Bandes im Vorverzugsfeld. Weiterhin war die
Spinnstabilität aufgrund des großen Spinndreiecks und Ungleichmäßigkeiten im Band nur
gering.
Als Abhilfe wurde im Vorverzugsfeld ein Verdichter (10 mm Breite) eingesetzt, welcher
verhinderte, dass das Band seitlich aus dem Verzugsfeld herauslief. Aufgrund der geringen
Spinnstabilität musste die Spindeldrehzahl stark abgesenkt werden auf 4000 U/min (42 mm
Ringdurchmesser). Der Spinnprozess konnte dadurch stabil gehalten werden.
Abbildung 44 zeigt die Breite des Bandes im Streckwerk bei geöffnetem Pendelträger und das
Spinndreieck, welches sich im Spinnprozess ausbildete.
Beobachtet wurden Faserabgänge an der Absaugung am Streckwerksausgang, da aufgrund der
großen Breite des Faserverbandes die Randfasern nur ungenügend eingebunden werden
konnten.
Faserbruch und daraus resultierende Faserablagerungen zeigten sich auch um den Spinnring
(Abbildung 45).
42
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Abbildung 44 Breite des Bandes im Streckwerk und Spinndreieck
Abbildung 45 Verflugung am Spinnring
Die ersten Versuche zeigten, dass eine Verspinnung von recycelten Carbonfasern in Mischung
mit PA-Fasern nach dem Ringspinnverfahren prinzipiell möglich ist. Aufgrund der stark
reduzierten Spindeldrehzahl und für die gesponnen Feinheiten kleinen Ringdurchmesser
musste das Läufergewicht angepasst werden. Um ausreichend Fadenspannung zu erzeugen
mussten drei Läufer gleichzeitig auf dem Ring eingesetzt werden. Ordnungsgemäß müsste ein
größerer Ring und nur ein Läufer mit ausreichendem Läufergewicht verwendet werden.
Weitere Optimierungen wären der Einsatz eines 4-Zylinder Streckwerks mit
Kompaktspinntechnologie, um das Spinndreieck zu verkleinern und die Verzugsaufteilung im
Streckwerk zu verbessern.
43
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.3 Bewertung der Vorhabensergebnisse
3.3.1 Betrachtung der Umweltrelevanz
Das Ausgangsscenario des Projektes ist die vermehrte Anwendung des Leichtbaus im
Wesentlichen im Automobilbau durch die Verwendung von Carbonfasern. Die
Strukturgewichtsreduktion wird zurzeit durch höhere Produktionskosten erkauft, da im
Gegensatz zur Luftfahrt eine Amortisation der Bauteilpreise aber auch eine neutrale CO2-
Bilanz über den Lebenszyklus nicht gewährleistet ist. Sämtliche Branchen sind jedoch von
einem Problemfeld gemeinsam betroffen: Es existiert kein geeigneter Prozess für die
wirtschaftliche und ressourceneffiziente Wiederverwendung der als Produktionsabfall oder als
Bauteil anfallenden Kohlenstofffasern.
Eine Etablierung eines solchen Prozesses ist aus folgenden Gründen zwingend notwendig, um
den Ansatz des Leichtbaus mit Carbonfasern nachhaltig zu gestalten.
- Derzeitig wird für die Herstellung von Carbonfasern eine deutlich höhere Menge CO2
ausgestoßen als bei der Herstellung von Stahl oder Aluminium. Carbon wird bei sehr
geringen Produktionsgeschwindigkeiten, bei Temperaturen von bis zu 2000°c
hergestellt.
- Der höhere CO2-Ausstoß wird über den Lebenszyklus eines Automobils durch die
Einsparung im Verbrauch von Treibstoff nicht ansatzweise ausgeglichen. Dies ist nur in
der Luftfahrt durch den längeren Lebenszyklus und den längeren Betriebszeiten
gegeben.
Abbildung 46 Verbrauchseinsparung durch Gewichtsreduktion
- Durch gesetzliche Auflagen durch die „Altautoverordnung“ ist die Wiederverwendung
von 95% der Ausgangsstoffe eines Automobils in 2015 vorgeschrieben.
- Durch die Wiederverwendung von Carbonfasern reduziert sich der
Primärenergieverbrauch, somit ergibt sich eine deutliche Verbesserung der CO2-Bilanz
- Bei der Prozesskette, die eine Mehrfachverwendung der Fasern ermöglicht ist darauf zu
achten, dass auch der CO2-Ausstoß mitbetrachtet wird, so ist eine Pyrolyse energetisch
44
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
aufwendiger, als wenn die Solvolyse für die Wiedergewinnung der Fasern aus EOL-
Bauteilen angewendet wird.
Abbildung 47 CO2-Gesamtbilanz unterschiedlicher Materialien
Diese oben gezeigten Darstellungen betonen noch einmal die Dringlichkeit des von der DBU
geförderten Vorhabens.
3.3.2 Technologische und ökonomische Relevanz
Gegenwärtige Recyclingmethoden für Produktionsabfälle und CFK-Bauteile stellen ein
Downcycling dar. Carbonfaserbfälle werden lediglich als Kurzfasern für den Spritzguss
eingesetzt. Die thermische Verwertung zur reinen Energiegewinnung stellt aufgrund der
inakzeptablen Ressourcen- und CO2-Bilanz keine Alternative dar. Auch wenn die Fasern und
die Matrix mittels eines thermischen oder chemischen Verfahrens getrennt werden, existieren
für die Faserverwertung auch hier nur Verfahren, welche die Kohlenstofffasern in Form von
ungerichteten Kurz- oder Stapelfasern zur Verfügung stellen.
Die Wiederverwendung von Carbonfasern aus Bauteilen oder Schnittabfällen zu neuen
Faserverbundbauteilen ist nur dann sinnvoll, wenn die Aufwendungen für die Aufbereitung in
einem angemessenen Verhältnis zur Wertigkeit eines neuen Bauteil stehen. Dies bedeutet
konkret, dass z.B. ein Faserverbundbauteil aus einem Stapelfasergarn aus recycelten
Carbonfasern aufgrund der höheren Festigkeitswerte gegenüber einem Vlies mit isotropen
45
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
Eigenschaften mit einem deutlich geringeren Materialaufwand hergestellt werden kann als ein
Bauteil aus Carbonfaservlies.
Die die Festigkeit beeinflussenden Eigenschaften in einem Bauteil aus Stapelfasergarn sind die
Faserlänge und die Faserausrichtung.
Die zu untersuchende Prozesskette mit der Faservorbereitung und der Garnerspinnung müssen
in Bezug auf die Technologie und die Ökonomie folgende Ziele realisieren:
3.3.2.1 Technologisches Ziel
Bei der Verarbeitung der Carbonfasern in einer Stapelfaserprozesskette müssen Fasern aus
einer Parallellage, wie sie in dem Bauteil auch nach dem Herauslösen der Matrixkomponente
oder wie sie in den Schnittabfällen vorhanden sind, in einen definierten Faserlängenbereich
überführt werden um dann wiederum parallel für den anschließenden Spinnprozess
ausgerichtet zu werden. Jede Faserberührung durch eine Technologiekomponente der
Textilmaschine kann zu einem Bruch der Carbonfasern führen. Aus diesem Grund sind
umfangreiche Untersuchungen der Faserlänge durchgeführt worden, da dies ein kritischer
Faktor des Ergebnisses des Prozesses ist. Andererseits müssen die Fasern ausgerichtet und
verdreht werden, um ein Garn herzustellen. Bei der Abschätzung der optimalen Prozesskette ist
z.B. die Parallellage der Fasern nach 3 Streckpassagen besser als nach 2 Streckpassagen, jedoch
ist eine Fasereinkürzung durch die 3. Passage ebenfalls gegeben.
3.3.2.2 Ökonomisches Ziel
Gilt es einerseits ein optimales technologisches Ergebnis zu erzielen, muss andererseits darauf
geachtet werden, dass die Aufwendungen für die Anpassung der Textilmaschinen an die
Verarbeitung von Carbonfasern keine Sonderlösungen darstellen. Die Prozesse werden auf
industriell eingesetzte Serienmaschinen abgebildet. Die zurzeit anfallenden Mengen an
Carbonabfall sind zwar nicht zu vernachlässigen, aber die Aufwendungen zur Adaption der
Maschinen an den Faserstoff müssen in einem akzeptablen Rahmen sein. Ebenfalls ist davon
auszugehen, dass sich Neuentwicklungen von Spezialmaschinen nicht rechnen würden. Aus
diesem Grund werden für die Prozesskette nur Serienmaschinen verwendet, die so modifiziert
werden, dass eine schonende Verarbeitung der Fasern ermöglicht wird.
Dies bedeutet weiterhin, dass zum aktuellen Stand der Forschungen bei der Faservorbereitung
Maschinen für die Langfaserverarbeitung verwendet werden und bei der Verspinnung
Maschinen für die Kurzstapelverarbeitung.
Der Prozess sollte so stabil laufen, dass ein manuelles Eingreifen nur in Ausnahmefällen
notwendig ist.
46
Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1
3.4 Verbreitung der Vorhabensergebnisse
Faserbänder aus recycelten Carbonfasern stellen die Basis / das Halbzeug für eine
Weiterverarbeitung in anschließenden Prozessen (z.B.: Spinnen zu textilen Garnen oder aber
anderen Anwendungen wie das Faserspritzen) dar.
Zu Beginn des Forschungsprojekts im Jahr 2011 war die industrielle Verbreitung von
Carbonfasern eher eine Nische und die Verwertung von Carbonabfällen (pre- wie
postconsumer) eine untergeordnete Problemstellung. Mit Einführung der Carbonfaser in die
Massenfertigung (BMW i-Serie) im Jahr 2013 gewinnt nun die Lösung der Recyling-Frage
sowohl aus ökologischer wie ökonomischer Sicht schnell an Bedeutung.
Eine Veröffentlichung der Erkenntnisse in der Öffentlichkeit ist vorerst noch nicht beabsichtigt,
da für das Zwischenprodukt „Faserband aus recycelten Ca