Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPEntwicklung von Produkten aus solvolytisch recycelten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
Aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften und ihrer geringen Dichte finden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zunehmend Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Windenergie. Mit dem wachsenden Bedarf steigt auch die Menge an End-of-Life (EoL) Materialien. Bestehende Lösungen zur Verwertung von EoL-CFK beschränken sich auf das Schreddern und Verbrennen des Materials. Dabei gehen die hervorragenden Eigenschaften der Kohlenstofffasern (CF) verloren. Zusätzlicher Anreiz für das Recycling besteht durch den immensen Energieaufwand für die Herstellung von CF. Das Recycling ist somit nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll. Eine Möglichkeit bietet die Solvolyse, bei der die Matrix durch nah- oder überkritisches Wasser zersetzt wird.
Herausforderung
Die erste Herausforderung ist die Abstimmung der Prozessbedingung der Solvolyse auf diverse Matrixmaterialien mit unterschiedlichen chemischen Strukturen. Sind die Reaktionsbedingungen zu mild, werden die Fasern nicht ohne Matrixrückstände freigelegt. Andererseits führen zu harsche Bedingungen zur Schädigung der Faser(-oberfläche). In jedem Fall geht dabei jedoch der dünne Polymerfilm auf der Faser, die Schlichte, verloren. Diese ist in textilen Verarbeitungsprozessen jedoch unabdingbar, da sie die Faser schützt und eine gute Verarbeitbarkeit gewährleistet.
Die zweite große Herausforderung stellt die Weiterverarbeitung der recycelten Fasern dar. Prozessbedingt liegen die Fasern nach der Solvolyse nicht mehr als Endlosmaterial vor. Klassische Verfahren zur Herstellung von Faserhalbzeugen lassen sich somit nicht direkt anwenden.
Zielstellung und Lösungsweg
Im Teilprojekt des Fraunhofer IGP soll zunächst durch parametrisierte Versuche an verschiedenen duromeren Harzsystemen das Verständnis über den Solvolyseprozess verbessert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann auf CFK mit unterschiedlichen Zusammensetzungen transferiert werden. Als Eingangsmaterial werden dafür unter anderem nachgebildete co-laminierte Strukturen sowie reale End-of-Life Bauteile dienen.
Die freigelegten Fasern werden anschließend mechanisch, physikalisch und optisch charakterisiert, um die Prozessqualität zu bewerten. Um Beschädigungen während der Weiterverarbeitung zu vermeiden, folgt eine Neubeschlichtung der Langfasern in speziellen Tauch- oder Sprühverfahren. Auch der Einfluss der Solvolyse und der nachträglichen Beschlichtung auf die Anbindungsqualität der recycelten Fasern an neue Matrixmaterialien sollen quantifiziert werden.
In den sich anschließenden, auf die Recyclingfaser angepassten Textilverarbeitungsprozessen werden neue rCF-Faserhalbzeuge wie Stapelfasergarne oder Kohlenstofffasermatten hergestellt. Diese werden umfassend charakterisiert und die Weiterverarbeitung für neue rCFK-Bauteile in Infusions- und Pressverfahren erprobt. Die Bauteile werden anschließend hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften bewertet..
Nutzen
Durch den Solvolyseprozess kann die Faserschädigung im Vergleich zu anderen Recyclingverfahren für CF auf ein Minimum reduziert werden. Somit können Fasern mit fast neuwertigen Eigenschaften wiedergewonnen werden. Gleichzeitig werden im Recyclingprozess deutlich weniger Energie und CO2-Äquivalente benötigt als bei der Herstellung von Neufasern. Neben den ökologischen Vorteilen werden die rCF damit auch kostengünstiger sein. Zusammen mit dem Vertrauen, das durch die umfangreiche Materialcharakterisierung geschaffen wird, werden so Anreize für Unternehmen geboten, auf nachhaltigere Materialien zu setzen und die Hochleistungsfasern in neue Produkte zu integrieren.