Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Biotechnische Rückgewinnung von Carbonfasern aus schwer recyclebaren Faserverbundwerkstoffen

In diesem Forschungsvorhaben soll durch ein biotechnologisches Verfahren Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen faserschonend zurückgewonnen (recycelt) werden.

Die Aufbereitung von Carbonfasern ist sehr schwierig, insbesondere die anschließende Herstellung von marktfähigen Produkten und Halbzeugen bzw. Zwischenprodukten, die in ihren Eigenschaften den ursprünglichen Carbonfasermaterialien nahe kommen. Trotz der geringen Verfügbarkeit des kostbaren Werkstoffes Carbonfaser werden zwischen 10 % und 30 % der Weltjahresproduktion entsorgt. Die CFK-Verbundreste können als herkömmlicher Abfall nicht vollständig abgebaut und somit nicht fachgerecht entsorgt werden. Die Schließung des Stoffkreislaufes ist notwendig, um die Werterhaltung der Rohstoffe sicher zu stellen und die Anwendung dieser kostenintensiven Verbundwerkstoffe in unterschiedlichen Bereichen zu gewährleisten. Viele der Matrixverbundstoffe können keiner Fasertrennung und somit nicht der Wiederverwertung zugeführt werden. Zwar werden heute schon Recyclingverfahren genutzt, jedoch existiert derzeit noch keine optimale Wiederverwertungsroute für oben genannte Faserverbundwerkstoffe. Neue Möglichkeiten bietet hierbei die Biotechnologie. So verfügen z. B. Pilze über vielfältige biologische Abbaumechanismen für Kunststoffe. Verschiedene Schimmelpilze z.B. der Gattungen Aspergillus, Cladosporium und Chaetomium können Kunststoffe, die als Matrixkomponenten in CFK eingesetzt werden, bevorzugt verstoffwechseln.

Einen unmittelbaren Nutzen dieses Forschungsvorhabens haben insbesondere KMU, die sich mit der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen beschäftigen - als Zulieferer oder Bauteilhersteller insbesondere in den Branchen Automotive, Luftfahrt, Windenergie und Maschinenbau. Mittelbar sind die Ergebnisse des Forschungsvorhabens für eine Reihe von Unternehmen bei der Entwicklung eines geschlossenen Recyclingkreislaufes von Interesse.

Ergebniszusammenfassung:

Bei der Herstellung Carbonfaser-verstärkter Kunststoffe (CFK) werden Carbonfasern in verschiedene Matrixsysteme eingebettet. Die verstärkten Polymere besitzen außergewöhnliche Eigenschaften wie hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte. Die Rückgewinnung der Carbonfasern aus der Matrix ist aber schwierig. CFK-Verbundreste können derzeit nicht vollständig als herkömmlicher Abfall abgebaut werden. Um den Stoffkreislauf zu schließen und die Carbonfasern in hoher Qualität zurückzugewinnen, wurde in diesem Projekt die Umsetzbarkeit eines biologischen Abbauverfahrens untersucht. Dafür wurde die Stoffwechselleistung bestimmter Mikroorganismen, derart komplexe Werkstoffe wiederverwerten zu können, genutzt. Der Pilz A. niger wurde als besonders geeignet für den Abbau von Epoxidharzen eingestuft. Die optimalen Prozessparameter wurden mittels Abbauversuchen und Bewertung des biologischen Abbaus durch Manometrie etabliert. Es zeigte sich, dass der Pilz Epoxidharz nicht als alleinige C-Quelle nutzen kann. Leicht erhöhte Temperaturen (30 °C) zeigten weiterhin einen positiven Effekt auf die biologische Aktivität des Pilzes. Ein pH-Wert von 6 wurde bevorzugt. Das Up-Scaling des Prozesses erfolgte in einem Laborreaktor. Im Anschluss an die Fermentationsprozesse wurde die Oberfläche der CFK-Stücke mittels REM untersucht. Diese war nun deutlich rauer und unregelmäßiger, was auf einen beginnenden Abbau der Matrix hindeutet. Eine Charakterisierung der Carbonfaserrecyclate ergab, dass durch die Fermentation teilweise deutliche Schädigungen in der Zugfestigkeit und Schlichte auftraten. Für die Verwendung der Carbonfaserrecyclate für tragende Strukturbauteile wird daher eine Studie der Faserschädigung empfohlen. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse, dass ein biotechnologischer Abbau der Epoxidmatrix des CFKs möglich ist. Für eine Optimierung der Prozesse sowie eine industrielle Umsetzung besteht aufgrund der Komplexität des Themas jedoch weiterer Forschungsbedarf.