Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung haben ein Verfahren entwickelt, um Carbonfasern aus Lignin herzustellen, was als Abfallprodukt in der Papierproduktion anfällt. Die mechanischen Eigenschaften sind mit denen konventionell hergestellter Carbonfasern vergleichbar.
Carbonfasern werden im industriellen Maßstab gewöhnlich aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Die Stabilisierung und die Carbonisierung der Fasern geschieht dabei mit langer Verweildauer in hochtemperierten Öfen. Das kostet viel Energie und macht die Fasern teuer. Außerdem entstehen giftige Nebenprodukte, die aufwendig und energieintensiv aus dem Herstellungsprozess abgetrennt werden müssen.
Ein neuartiges, an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung (DITF), Denkendorf, entwickeltes Verfahren ermöglicht hohe Energieeinsparungen in all diesen Prozessschritten. Lignin ersetzt dabei das Polyacrylnitril für die Herstellung der Präkursorfasern, die in einem zweiten Prozessschritt zu Carbonfasern umgewandelt werden. Lignin als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Carbonfasern hat bisher kaum Beachtung in der industriellen Fertigung gefunden. Dabei handelt es sich um einen günstigen und in großen Mengen verfügbaren Rohstoff, der als Abfallprodukt in der Papierproduktion anfällt.
Neue Wege zur Carbonfaser
Im neuen Verfahren zur Herstellung von Ligninfasern wird zuerst Holz in seine Bestandteile Lignin und Cellulose getrennt. Ein Sulfit-Aufschluss ermöglicht die Erzeugung von Lignosulfonat, welches in Wasser gelöst wird. Eine wässrige Lösung von Lignin ist dann das Ausgangsmaterial für das Spinnen der Fasern.
Der Spinnprozess selbst erfolgt im sogenannten Trockenspinnverfahren. Dabei presst ein Extruder die Spinnmasse durch eine Düse in einen beheizten Spinnschacht. Die entstehenden Endlosfasern trocknen im Spinnschacht schnell und gleichmäßig. Die Ligninfasern aus einer wässrigen Lösung zu spinnen ist ein neuer und umweltfreundlicher Ansatz, denn das Verfahren kommt ohne den Einsatz von Lösungsmitteln und giftigen Additiven aus.
Die folgenden Schritte zur Herstellung von Carbonfasern, nämlich die Stabilisierung in Heißluft und die anschließende Carbonisierung im Hochtemperaturofen ähneln denen des üblichen Prozesses bei Verwendung von PAN als Präkursorfaser. Allerdings spielen auch hier die Ligninfasern ihre Vorteile aus, denn sie lassen sich im Ofen besonders schnell mit Heißluft stabilisieren und benötigen nur relativ niedrige Temperaturen in der Carbonisierung. Die Energieersparnis in diesen Prozessschritten gegenüber PAN liegt laut DITF bei rund 50 %.
Aus Wasser gesponnene Lignin-Präkursorfasern, stabilisierte und carbonisierte Endlosfasern. (Foto: DITF)
Technische Vorteile
Neben der lösemittelfreien Herstellung und Energieeffizienz bietet das neue Verfahren weitere Vorteile gegenüber PAN: Lignin ist ein leicht verfügbarer Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird. Die Verwendung eines natürlichen Rohstoffes für die Erzeugung von hochfesten Carbonfasern folgt zudem dem Nachhaltigkeitsgedanken in der Produktion.
Der Trockenspinnprozess erlaubt hohe Spinngeschwindigkeiten. Hierdurch kann in kürzerer Zeit mehr Material produziert werden, als es mit PAN-Fasern möglich ist. Die Lignin-Präkursorfasern sind darüber hinaus sehr homogen, haben glatte Oberflächen und keine Verklebungen. Solche strukturellen Merkmale erleichtern die Weiterverarbeitung zu Carbonfasern und letztlich auch zu Faserverbundwerkstoffen. Die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Carbonfasern sind nahezu vergleichbar mit denen aus PAN. Sie sind ebenso zugfest, widerstandsfähig und leicht, wie es von marktgängigen Produkten bekannt ist.
Besonders interessant dürften solche Carbonfasern für Anwendungen in der Bau- und Automobilbranche sein, die von Kostensenkungen im Produktionsprozess in hohem Maße profitieren.
