Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laser-induzierte Stabilisierung und Carbonisierung für die gezielte Einstellung hoher Porositäten von schmelzgesponnenen Carbonfasern

Carbonfasern sind wichtige Hochleistungsmaterialien, die auch als Elektrodenmaterial, Adsorbentien oder Filtermedien Anwendung finden. Dies sind Nischenanwendungen, die besonders von KMUs bedient werden, sodass gerade für diese Unternehmen ein Entwicklungsvorsprung durch das vorliegende Projekt geschaffen werden kann. Für diese Anwendungen ist die Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit von höchster Wichtigkeit.

Carbonfaservliese werden heute durch Pyrolyse von Polyacrylnitril-Vliesen erzeugt. Das Polyacrylnitril (PAN) wird dabei aus einem Lösungsmittel wie DMF und DMSO versponnen. Die während des Spinnprozesses erforderliche Lösemittelabscheidung und -rückgewinnung ist technisch aufwändig und teuer.

Um den gesamten Spinnprozess zu vereinfachen und ökonomischer zu gestalten, sollen im Forschungsvorhaben zunächst Carbonfaservliese lösungsmittelfrei durch Schmelzspinnen spezieller PAN-Copolymere hergestellt werden. Eine Stabilisierung dieser schmelzgesponnenen PAN-Vliese ist allerdings durch klassische thermische Umwandlung im Ofen (bei ca. 250°C) nicht möglich, da dies zum erneuten Schmelzen des Polymers führt. Deshalb soll im Projekt die Stabilisierung der Vliese durch eine Infrarot Kurzzeit-Laserbehandlung erfolgen. Die dafür erforderliche erhöhte Absorption der Laserstrahlung in den Vliesen soll durch Einbringen von Carbon-Nanofüllstoffen erreicht werden. So kann die Energie der Infrarot-Laserstrahlung in einer sehr kurzen Zeit in das Material eingebracht werden, mit typischen Laser-Pulsdauern (ns) die kürzer als die Relaxationszeit des Polymers (ms-s) sind. Dadurch wird die Stabilisierung erreicht bevor die PAN-Fasern aufschmelzen.

Auch die Carbonisierung soll durch Infrarot-Laserstrahlung, die hohe Aufheizgeschwindigkeiten (> 50 K/s) ermöglicht, erreicht werden. Die dabei entstehenden Gase treten explosionsartig aus der Faser aus und erzeugen eine extrem hohe, nanoporige Oberfläche.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde ein skalierbares DMSO-Trockenspinnverfahren für PAN-Vliese etabliert. Das Vlies lässt sich auf Alufolie abscheiden. Die Faserdurchmesser des Vlieses liegen, je nach Viskosität der Spinnlösung, im oberen sub-mikrometer Bereich.

Das Verfahren ist aufgrund seiner hohen Produktionsrate (56 ml/min.), im Vergleich zu anderen Nanofaserspinnprozessen (Elektrospinning: 0,5 ml/h), wirtschaftlich interessant. Zudem wurde das Verfahren für den Einsatz von DMSO-haltigen Spinnlösungen entwickelt. Der Ersatz von DMF-Spinnlösungen, durch DMSO-Spinnlösungen, stellt aufgrund der Bedenklichkeit von DMF einen entscheidenden sicherheitstechnischen Vorteil gegenüber etablierten PAN-Spinnprozessen dar.

Durch die hohen Produktionsraten stellt das neuartige Trockenspinnverfahren eine kostengünstige Alternative zur Herstellung von Carbon-nanofaservlies Präcursoren dar. Carbon-nanofaservliese finden aufgrund ihrer hohen Oberfläche vor allem Anwendungsmöglichkeiten in der Filterindustrie. Derzeit wird das Anwendungsfeld dieser Technologie noch um den Einsatz als kostengünstige Festbett-Katalysatoren erweitert.

Zudem wurde ein laser-induziertes Carbonisierungs- und Stabilisierungs-Verfahren für trockengesponnene PAN-Vliese auf Aluminiumfolie realisiert. Zum ersten Mal wird hier die laserinduzierte Stabilisierung von PAN-Faservliesen beschrieben. Die besondere wirtschaftliche Relevanz ergibt sich aus der Zeit- und Energie-einsparung. Im Projekt konnte zudem gezeigt werden, dass bei der laser-induzierten Stabilisierung (T=250°C) und Carbonisierung (T>1000°C) die unterliegende Aluminiumfolie nicht schmilzt (Tmelt=750°C).

So hergestellte Carbon-nanofaservliese auf Aluminiumfolie, können als Elektrodenmaterial eingesetzt werden. Die Alufolie haftet am Carbonfaservlies und kann somit als Stromleiter in Energiespeichermedien fungieren.