Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Ligninbasierte Carbonfasern (LiCaFib); Teilvorhaben 2: Entwicklung einer Basistechnologie zur Herstellung ligninbasierter Carbonfasern, welche es ermöglicht kostengünstige Carbonfasern für neue Volumenmärkte bereitzustellen

Anschrift
FASERINSTITUT BREMEN e.V.
28359 Bremen
Am Biologischen Garten 2
Kontakt
Dipl.-Ing. Lars Bostan
Tel: +49 421 218-58669
E-Mail: bostan@faserinstitut.de
FKZ
22014114
Anfang
01.12.2014
Ende
30.11.2017
Aufgabenbeschreibung
Ziel ist die Realisierung ligninbasierter C-Fasern mit einem Eigenschaftsprofil von 1,5 GPa Zugfestigkeit und 150 GPa Zugmodul. Voraussetzungen dafür sind die Bereitstellung von maßgeschneiderten Ligninen, die Entwicklung geeigneter Spinnprozesse zur Erzeugung von Ligninfilamenten und die intensive Untersuchung des Konvertierungschrittes (Stabilisierung und Carbonisierung) zur Umwandlung des Precursors in eine C-Faser. Die kombinierte Anwendung von unterschiedlichen analytischen Methoden soll eine detaillierte Untersuchung der vielschichtigen Strukturveränderungen ermöglichen und liefert damit die Grundlage für eine Optimierung der jeweiligen Entwicklungsstufen. Zu Beginn steht die Charakterisierung des Lignins im Mittelpunkt, um strukturelle Charakteristika des Lignins zu erfassen. Die Eignung des Lignins für die Spinnprozesse und die Konvertierung soll anhand einer möglichst einfachen Methodik (Monofilament, Temperaturregime an Pulverprobe, etc.) überprüft werden, um Erkenntnisse zur Struktur-Eigenschafts-Korrelation zu gewinnen. Die chemische Modifizierung soll aufgedeckten Nachteilen entgegenwirken und das Spinn- als auch Konvertierungsverhalten positiv beeinflussen. Anschließend erfolgt die Prozessentwicklung zur Herstellung eines gesponnenen Lignin Precursors im industrienahen Maßstab (< 1000 Filamente). Wichtigstes Kriterium ist hierbei neben der Weiterverarbeitbarkeit die Orientierung der Ligninmoleküle innerhalb der Filamente, da dies maßgeblich die späteren mechanischen Kennwerte der C-Faser beeinflusst. Abschließend erfolgt die Konvertierung von Präkursoren zu C-Fasern. Die ablaufenden Prozesse sind äußerst komplex und stark vom Substrat und den Prozessbedingungen wie Temperatur, Verweilzeit, Atmosphäre, Fadenspannung, etc. abhängig. Für die neuartigen Lignin-Präkursoren müssen die jeweiligen Prozessbedingungen grundlegend neu ermittelt werden, wobei ebenfalls Rückschlüsse auf die günstigste Präkursor-Struktur gezogen werden müssen.
Ergebnisdarstellung
Innerhalb des Projektes wurde ein weiterer Grundstein zur Entwicklung einer Basistechnologie für schmelzgesponnene Lignin Precursoren gelegt. Hierfür führte das Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) die Lignincharakterisierung unter schmelzspinntechnischen Gesichtspunkten und die Ligninaufbereitung mittels thermischer Vorbehandlung und / oder Lösungsmittelfraktionierung durch. Daraus wurde eine Modifizierungsroute entwickelt, die es ermöglicht kommerziell erhältliche Lignine für das Schmelzspinnen maßzuschneidern, so dass diese in ausreichender Menge auch für eine spätere Prozessskalierung zur Verfügung stehen können. Die thermische Vorbehandlung und die Lösungsmittelfraktionierung wurden eingehend analysiert und neue Kombination für die Herstellung maßgeschneiderter Lignin entwickelt. Durch die variable Lösungsmittelzusammensetzung können auch unterschiedliche Roh-Lignine nach der Aufbereitung das gleiche thermische Verhalten aufweisen. Dies ermöglicht die Verwendung unterschiedlichster Lignin Quellen und sichert die großtechnische Materialverfügbarkeit. Die Lignine zeigen eine hohe Thermostabilität, die bei bis zu 110 °C oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt. Durch eine angepasste Prozessführung kann hierbei das Temperaturfenster innerhalb des bevorzugten Spinntemperaturbereiches erhöht werden, welches eine Spinnprozessentwicklung im Pilotmaßstab ermöglicht.

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