Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Technologischer Vergleich von Spinnverfahren zur Herstellung von rCF-Stapelfasergarnen

Derzeit beträgt der Faserverschnitt bei der Herstellung von CFK bis zu 40 %. Demgegenüber steht ein hoher Energiebedarf zur Herstellung von C-Fasern von ca. 700 MJ/kgC-Faser. Aufgrund fehlender Verfahren werden Faserabfälle aus der CFK-Produktion daher hauptsächlich als Mahlgut für Spritzgussanwendungen verwendet oder zu flächigen Halbzeugen (ungerichteten Stapelfaser-Vliesen) weiterverarbeitet. Beide Möglichkeiten führen zu einem Downcycling von C-Fasern, da das hervorragende strukturmechanische Leistungsniveau der ursprünglichen Filamentfaser nicht mehr genutzt werden kann.

Als weitere Möglichkeit besteht der Ansatz die recycelten C-Fasern zu Stapelfaser-garnen z.B. in Kombination mit thermoplastischen Matrixfasern zu verspinnen.

Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist daher die ganzheitliche Untersuchung der stofflichen Verwertung von recycelten C-Fasern in Form von Stapelfasergarnen anstelle von Filamenten in strukturellen Faserverbundanwendungen. Ansatz zur Erreichung des Ziels ist es, die etablierten Spinnverfahren auf Basis einer gemeinsamen Spinnereivorbereitung auf ihre Eignung zur Herstellung von rCF-Stapelfasergarnen hin zu untersuchen.

Das Vorhaben stellt eine sinnvolle Methode zur Validierung von Spinnverfahren für die Herstellung von rCF- Stapelgarnen dar. Mit den Erkenntnissen aus dem Vorhaben können sich neue Einsatzgebiete für recycelte Carbonfasern generieren, weiterhin werden wesentliche Anforderungen der Wiederverwendung von Materialien im Automotivbereich unterstützt.

Sollten die geplanten Stapelgarne sich herstellen lassen, können sich durchaus neue Geschäftsfelder generieren lassen in Bereichen, in denen die hohen Anforderungen an Carbonfasern reduziert sind.

Insbesondere den KMU`s im Textilbereich (Spinnereien, Zwirnereien, Webereien und Wirkereien) können durch die Ausweitung der Anwendungen der FVK im Wettbewerb bestehen und unter Umständen neue Arbeitsplätze schaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsprojekts „CarboYarn“ war die anwendungsspezifische, stoffliche Verwertung von rCF (recycelte Carbonfasern) in Form von Stapelfasergarnen. Die untersuchten Spinnverfahren waren Flyer-/Ringspinnen, Rotorspinnen, Friktionsspinnen und Umwindespinnen bei identischer Spinnereivorbereitung.

Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde der gesamte Recyclingprozess betrachtet, ausgehend von der Ausgangsfaser über die Faseraufbereitung, der Bandbildung, dem Spinnprozess bis zur Konsolidierung. Während der Prozesskette wurden die Zwischenprodukte fortwährend textiltechnischen Prüfungen unterzogen, um den Einfluss einzelner Prozessschritte auf die Gesamtqualität des rCFK zu quantifizieren. Neben den Prozessschritten wurden des Weiteren verschiedene rCF-Typen berücksichtigt. Die rCF wurden in Kombination mit PA6-Fasern erfolgreich zu Hybridgarnen verarbeitet. Alle untersuchten Garnvarianten (Kombination aus rCF-Material und Spinnverfahren) erfuhren eine starke Reduktion der rCF-Länge beim Recycling. Zwischen den unterschiedlichen Garnvarianten konnte keine klare Tendenz bezüglich einer Abhängigkeit der mittleren rCF-Länge und dem Spinnverfahren gezeigt werden.

Die aus UD-Wickelkörpern hergestellten rCFK (recyceltet carbonfaserverstärkte Kunststoffe) wurden hinsichtlich Zugfestigkeit und Biegefestigkeit untersucht. Die Prüfkörper haben eine maximale Zugfestigkeit von 364 MPa und ein E-Modul von 37,2 GPa erreicht. Eine maximale Biegefestigkeit von 430 MPa und ein 32 GPa konnte nachgewiesen werden. Die Prüfkörper wiesen dabei einen Faservolumengehalt von ca. 25 % auf. Die Prüfergebnisse der mech. Eigenschaften der aus pyrolysierten CF hergestellten rCFK waren signifikant niedriger als die der Prüfkörper aus den Verschnitt CF. Das durchgeführte Forschungsvorhaben erhöht die Erfahrung mit dem Umgang von rCF hinsichtlich der Wiederverwertung in Stapelfaserform und steigert somit die aktuell noch fehlende Marktakzeptanz für die Verwendung des neuen Werkstoffes.