Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Polypropylenkompatible Schlichten für Recycling-Carbonfasern aus CFK-End-of-Life-Bauteilen

Das Vorhaben umfasst grundlegende Forschungsaktivitäten, um Recycling-Carbonfasern (rCF) aus CFK-End-of-Life-Bauteilen in anderen Leichtbauprodukten zu nutzen. Im technologischen innovativen Kern des Projekts stehen grundlegende materialwissenschaftliche und verfahrenstechnische Untersuchungen zur Entwicklung von CFK mit thermoplastischer Polypropylenmatrix.

Durch den zunehmenden Einsatz von carbonfaserverstärkten Faserverbundbauteilen (CFK) fallen in stark steigendem Maße rCF an, wenn die verbauten CFK-Komponenten nach ihrem Nutzungsende aufbereitet werden. Die rCF besitzen noch wesentliche nutzbare Eigenschaften der Originalfasern, liegen aber als Kurz- und Langfasern in einem undefinierteren Oberflächenzustand vor. Die Faseroberflächen müssen funktionalisiert werden, so dass die rCF industriell verarbeitet werden können und im neuen Faserverbundbauteil eine hohe Fasermatrixhaftung resultiert. Technisch herausfordernd, mit hohem Anwendungspotenzial, ist die Verarbeitung der rCF mit Polypropylen (PP) zu Verbundbauteilen. Das wissenschaftlich-technische Problem besteht insbesondere darin, dass beide Komponenten, PP und rCF, chemisch funktionalisiert werden müssen, so dass eine ausreichende Faser-Matrix-Haftung resultiert.

Aufgrund des aufwändigen aber etablierten Herstellungsprozesses von Carbonfasern werden die Preise mittelfristig so hoch bleiben, dass viele technisch interessante Verwendungen für CFK mit neuen Carbonfasern unwirtschaftlich bleiben. Mit den deutlich günstigeren rCF können diese Wirtschaftlichkeitsbarrieren überwunden werden.

Die angestrebten Forschungsergebnisse befähigen insbesondere kunststoffverarbeitende Unternehmen, i. d. R. KMU`s, hochwertige CFK-Bauteile wirtschaftlich in hoher Stückzahl zu produzieren und dadurch entweder erstmals in den CFK-Markt einzusteigen oder Anwendungen und Märkte zu erschließen, die bislang Metall oder glasfaserverstärkten Materialien vorbehalten waren.

Ergebniszusammenfassung:

Schlichtemittel bzw. Haftvermittler mit Anteilen aus Maleinsäureanhydrid (MSA) wurden für rCF entwickelt. Das MSA wurde auch in das Polypropylen eincompoundiert, aus dem Fasern ausgesponnen wurden. Mit zunehmenden Haftvermittlerkonzentrationen verschlechterten sich die mechanischen Kennwerte (Zug- und Biegemodul) sowie die Festigkeiten. Versuche mit PP und MSA-PP zeigten, dass eine Erhöhung der MSA Konzentration zu einem Festigkeitsverlust im Polymer führte, was beim E-Modul nicht beobachtet wurde. Eine zusätzliche Zugabe eines Haftvermittlers wirkte sich insgesamt negativ auf die Steifigkeit der hergestellten Versuchsplatten aus, parallel dazu war eine zunehmende Dehnung mit abfallendem Zugmodul und Zugfestigkeit erkennbar. Durch ein reduziertes Zugmodul resultierte eine geringere Steifigkeit und eine höhere Dehnung. Die Festigkeit reduzierte sich durch die Zugabe eines Haftvermittlers, wirkte sich aber bei erhöhter Konzentration nicht entsprechend linear aus, sondern erreichte eine Plateauphase. Allgemein hatte die Zugabe des Haftvermittlers auf MSA-PP die größeren negativen Auswirkungen auf die mechanischen Werte als im Vergleich zu PP ohne MSA. Im Bereich der interlaminaren Scherfestigkeit waren die Auswirkungen wesentlich geringer. Dies hängt damit zusammen, dass diese Prüfung eine mögliche Delamination der Schichten hervorrufen sollte, dies aber durch die Beschaffenheit des Vliesstoffes nur schwer zu erreichen ist. Die Zunahme der Schlagzähigkeit ist eine Folge der Erhöhung der Dehnung durch einen höheren Anteil an Haftvermittler. Die erhöhte Dehnung ermöglichte es dem Material über einen längeren Zeitraum Energie aufzunehmen bzw. Energie zu absorbieren. Der Verlust der mechanischen Kennwerte in den Bereichen der Moduli und den Festigkeiten wurden über den Gewinn der Schlagzähigkeit ausgeglichen. Somit könnte, je nach Anwendungsbereich des Materials, durch eine Anpassung der Rezeptur eine dem Belastungsfall angepasstes Material entwickelt werden.