Ein innovatives Verfahren wurde von den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung (DITF) entwickelt, um Carbonfasern aus Lignin herzustellen. Lignin ist ein reichlich vorhandener und kostengünstiger Rohstoff, der als Nebenprodukt in der Papierherstellung anfällt. Dieses Verfahren bietet beträchtliche Energieeinsparungen und ist äußerst umweltfreundlich, da es auf natürlichen, nachwachsenden Rohstoffen basiert und keine Lösungsmittel benötigt.
Lignin – ein innovativer Ersatz für Polyacrylnitril in der Industrie
Die industrielle Produktion von Carbonfasern basiert in der Regel auf der Verwendung von Polyacrylnitril (PAN). Um die Fasern zu stabilisieren und zu carbonisieren, werden sie für eine längere Zeit in hochtemperierten Öfen behandelt. Dieser Prozess erfordert einen erheblichen Energieaufwand, der die Kosten der Fasern erhöht. Zusätzlich entstehen dabei giftige Nebenprodukte, die aufwendig und energieintensiv aus dem Produktionsprozess entfernt werden müssen.
Die Forscher am DITF haben ein neues Verfahren entwickelt, das in verschiedenen Prozessschritten zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Anstelle von Polyacrylnitril wird Lignin verwendet, um Präkursorfasern herzustellen, die dann in einem zweiten Schritt zu Carbonfasern umgewandelt werden. Obwohl Lignin als Ausgangsmaterial für Carbonfasern kostengünstig und in großen Mengen verfügbar ist, wurde es in der industriellen Fertigung bisher kaum beachtet. Stattdessen wurde es als Abfallprodukt in der Papierproduktion betrachtet.
Einsatz von Nanotechnologie zur Verbesserung der Carbonfaserproduktion am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung
Bei dem modernen Verfahren zur Produktion von Ligninfasern erfolgt zunächst eine Trennung des Holzes in seine Hauptbestandteile, nämlich Lignin und Cellulose. Durch den Einsatz von Sulfit-Aufschluss wird Lignosulfonat erzeugt, das anschließend in Wasser gelöst wird. Das resultierende wässrige Ligninlösung dient als Ausgangsmaterial für das Spinnen der Fasern.
Beim Spinnprozess, der im Trockenspinnverfahren stattfindet, wird die Spinnmasse durch eine beheizte Düse in den Spinnschacht gepresst. Im Spinnschacht trocknen die entstehenden Endlosfasern schnell und gleichmäßig. Eine innovative Alternative besteht darin, Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung zu spinnen. Dieser umweltfreundliche Ansatz verzichtet vollständig auf den Einsatz von Lösungsmitteln und giftigen Additiven.
Der Produktionsprozess zur Herstellung von Carbonfasern weist Ähnlichkeiten mit dem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von PAN als Vorläuferfaser auf. Dieser umfasst die Stabilisierung in Heißluft und die anschließende Carbonisierung im Hochtemperaturofen. Allerdings sind die Vorteile der Ligninfasern auch hier relevant, da sie sich im Ofen besonders schnell mithilfe von Heißluft stabilisieren lassen und niedrigere Temperaturen für die Carbonisierung benötigen. Im Vergleich zu PAN ermöglicht dieser Prozess eine Energieeinsparung von etwa 50%, was einen echten Wettbewerbsvorteil darstellt.
Nachhaltige Alternative: Wasserbasierte Ligninfasern zeigen technische Vorteile
Neben der umweltfreundlichen, da lösemittelfreien Herstellung und der Energieeffizienz bringt das neue Verfahren weitere Vorteile im Vergleich zu PAN mit sich. Lignin, ein kostengünstiger und leicht verfügbarer Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird, wird zur Herstellung hochfester Carbonfasern verwendet. Diese Verwendung eines natürlichen Rohstoffs in der Produktion trägt zum Nachhaltigkeitsgedanken bei.
Der Trockenspinnprozess ermöglicht eine hohe Spinngeschwindigkeit, wodurch eine größere Menge Material in kürzerer Zeit produziert werden kann im Vergleich zu PAN-Fasern. Ein Wettbewerbsvorteil liegt darin, dass die Qualität der Lignin-Präkursorfasern nicht beeinträchtigt wird. Diese Fasern sind äußerst homogen, haben glatte Oberflächen und keine Verklebungen. Diese strukturellen Merkmale erleichtern die Weiterverarbeitung zu Carbonfasern und letztendlich zu Faserverbundwerkstoffen.
In Bezug auf das neue Spinnverfahren kann festgestellt werden, dass die gewonnenen Präkursorfasern aus Lignin gegenüber PAN deutliche Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Umweltauswirkungen aufweisen. Die daraus hergestellten Carbonfasern weisen jedoch ähnliche mechanische Eigenschaften auf, wie sie bei handelsüblichen Produkten bekannt sind, einschließlich ihrer Zugfestigkeit, Widerstandsfähigkeit und Leichtigkeit.
Carbonfasern, die aus mit Wasser gesponnenen Ligninfasern hergestellt werden, könnten in der Bau- und Automobilbranche besonders interessant sein, da sie erhebliche Kosteneinsparungen im Produktionsprozess ermöglichen.
