Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Ligninbasierte Carbonfasern (LiCaFiB); Teilvorhaben 1: Lösungsgesponnene ligninbasierte Precursoren für C-Fasern

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)
14476 Potsdam
Geiselbergstr. 69
Kontakt
Dr. rer. nat. André Lehmann
Tel: +49 331 568-1510
E-Mail: andre.lehmann@iap.fraunhofer.de
FKZ
22015513
Anfang
01.12.2014
Ende
30.11.2017
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Basistechnologie zur Herstellung ligninbasierter Carbonfasern, welche es ermöglicht, kostengünstige Carbonfasern für neue Volumenmärkte herzustellen. C-Fasern basierend auf nachwachsenden Rohstoffen als Precursoren rücken immer mehr in den Fokus der Forschung sowie des industriellen Interesses. Aufgrund der geringen Kosten, der großen Verfügbarkeit sowie der polyaromatischen Struktur ist Lignin ein vielversprechendes natives Polymer. Inhaltlich stand dabei ebenso die Realisierung ligninbasierter C-Fasern mit einem für die anvisierten Applikationen geeignetem Eigenschaftsprofil von ca. 1,5 GPa Zugfestigkeit sowie ca. 150 GPa Zugmodul im Mittelpunkt der Untersuchungen. Zur Erreichung der Zielstellung bedurfte es zunächst die Umformung von Lignin in Endlosfilamente, um solch ein Filamentgarn anschließend kontinuierlich thermisch zu Carbonfasern zu konvertieren. Unter Berücksichtigung der chemischen als auch physikalischen Struktur von Lignin war die Umformung selbiges hin zu Faserform die größte Herausforderung im Projekt. Sowohl die Variation verschiedener Lösungsmittel als auch Fällbedingungen für Lignin als auch die Derivatisierung von Lignin führte nicht zu einer erfolgreichen Umformung von reinem Lignin in Filamentform. Erst der Zusatz von fadenbildenden Polymeren, wie z.B. Polyvinylalkohol oder Cellulosecarbamat ermöglichte die Umformung resultierender Mischungen mit Lignin zu Endlosfilamentgarnen.
Ergebnisdarstellung
Gerade die Umformung von Lignin zusammen mit Cellulosecarbamat aus einem alkalischen Medium eröffnete dabei einen stabilen Spinnprozess, wobei der Ligningehalt im finalen Filament bis auf 50% gesteigert werden konnte. Entscheiden dafür war, wie vorher beschrieben, die Lösungsprozedur sowie angepasste Prozessparamater wie Fällbadzusammensetzung, Wäsche und Trocknung. Die so erzeugten Regeneratfasern aus Cellulosecarbamat und Lignin zeichnen sich durch eine äußerst geringe Sprödigkeit als gleich durch mechanische Kennwerte, welche ein weiteres kontinuierliches Prozessieren während der thermischen Konvertierung erlauben. Für die thermische Konvertierung stand eine Anlage, welche, getrennte voneinander, ein kontinuierliches Prozessieren für die Stabilisierung als auch der anschließenden Carbonisierung ermöglichte. Dabei standen Parameter wie Verweilzeit, Temperaturprofil aus auch Fadenspannung und deren Auswirkung auf die finalen Eigenschaften der resultierenden Carbonfasern im Fokus der Untersuchungen. Die höchsten mechanischen Kennwerte konnten bei einer maximalen Temperatur von 2000 °C bei gleichzeitigem Anbringen einer Fadenspannung erarbeitet werden. Der erreichte E-Modul beträgt 143 GPa und die korrespondierende Festigkeit 1,1 GPa. Damit kann der im Vorfeld diskutierte Wert für den E-Modul als erreicht angesehen werden. Die Festigkeit liegt hingegen ca. 25% unter dem angestrebten Wert.

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