Trotz ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei geringem Gewicht werden Carbonfasern heutzutage kaum in Massenanwendungen eingesetzt. Ein Hauptgrund ist der hohe Preis von durchschnittlich 20 €/kg aufgrund des zeit- und energieintensiven Produktionsprozess. Ein Flaschenhals ist der Prozess der thermischen Stabilisierung bei hohen Temperaturen bis 300 °C und langen Verweilzeiten von bis zu 100 Minuten. Mehr als 25 % der gesamten Produktionskosten entfallen auf diesen Prozessschritt.
Ziel dieser Arbeit ist die Reduktion der Prozesszeit der Stabilisierung auf weniger als 50 Minuten. Die grundlegende Prämisse ist, dass zur Umsetzung der Entwicklung keine zusätzlichen Investitionskosten notwendig werden. Hierdurch werden mögliche Markteintrittsbarrieren minimiert. Als Benchmark der mechanischen Eigenschaften gilt der industriell gängige Fasertyp Torayca® T300 der Firma Toray Industries, Inc. (Tokio, Japan) mit einer Bruchspannung von 3,5 GPa und einem E-Modul von 230 GPa.
Zur Reduktion der Stabilisierungszeit werden Prozessprofilen entwickelt, die auf die chemischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials angepasst sind. Hierbei wird der Herstellungsprozess kaskadiert und Stufenweise optimiert. Der Betrachtungsraum sind jeweils die Prozessparameter Temperatur, Verweilzeit und Verstreckung. Die mechanischen Eigenschaften werden über eine Optimierung des Prozessschritts Carbonisierung maximiert.
Als zentrales Ergebnis wird eine minimale Stabilisierungszeit von 24 Minuten bei einer Bruchspannung von 4,0 GPa und einem E-Modul von 235 GPa erreicht. Der Benchmark wird übertroffen. Bei Umsetzung beträgt das Einsparpotential im Produktionsprozess 4 €/kg. Die volkswirtschaftlichen Auswirkungen werden anhand des Fallbeispiels Offshore Windenergie auf 1.240 Mio. € berechnet.
Aktualisiert: 2020-07-30
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Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und strukturelle Untersuchung von Lignin-basierten Carbonfasern und Präkursorsystemen. Es wurde ein neuartiges Konzept zur kontrollierten Kettenverlängerung von Lignin entwickelt, das niedermolekulares technisches Lignin in ein maßgeschneidertes, linearisiertes und orientierbares Präkursorpolymer für Carbonfasern transformiert. Das Konzept umfasste die Copolykondensation von Lignin mit einem geeigneten Verknüpfer unter Ausbildung von Methylenbrücken. Durch Variation der Stöchiometrie zwischen Lignin und Verknüpferverbindung konnte der Verzweigungsgrad im Produkt beeinflusst und minimiert werden. Das resultierende polymere Lignin wies Molekulargewichtserhöhungen von Faktor 20 (Mn) bis zu 200 (Mw) auf. Strukturelle Untersuchungen belegten einen quasi-linearen Molekulargewichtsaufbau. Das so maßgeschneiderte polymere Lignin konnte erfolgreich zu feinen Multifilament Präkursorfasern trockenversponnen werden. Die bei 1000 °C carbonisierten Fasern auf der Basis von 90 Gew.-% reinem Lignin wiesen sehr starke strukturelle Ähnlichkeiten mit der PAN-basierten kommerziellen Carbonfaser Toray T300 auf.
Aktualisiert: 2021-04-16
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Dieser nützliche Leitfaden bietet einen praktischen Ansatz zur Herstellung von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Das Buch beginnt mit einer kurzen Geschichte bzgl. der Entwicklung der Carbon-Faser, definiert die Terminologie für alle Formen von festem Kohlenstoff sowie die Eigenschaften für elementarer Kohlenstoff und seinen allotropen Formen. Es werden verschiedene Precursoren für Carbon-Fasern, entsprechende Oberflächenbehandlung und Schlichten für verschiedene auf den Weltmarkt erhältlichen Carbon-Faser-Typen vorgestellt. Das Buch gibt dabei einen hervorragenden Überblick bzgl. chemischer und physikalischer Eigenschaften von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Es werden zudem gängige Test- und Analyseverfahren zum Nachweis dieser Eigenschaften präsentiert.In mehreren Kapiteln werden typische Verarbeitungsprozesse für Carbon-Fasern mit trockenen und auch imprägnierten Halbzeugen in Anwendungsbereichen wie Luft und Raumfahrt, Windindustrie und Automotive bis hin zur Bauindustrie dargestellt. Dabei werden die Vorteile und Nachteile verschiedenster Fertigungsverfahren ausgehend von Anwendungsbeispielen aufgezeigt.Betrachtungen bzgl. C-Faser-Recycling und Nachhaltigkeit (Environmental footprint) sowie neue Entwicklungen im Bereich der Carbon-Faser-Herstellung sollen den Leser bei der Auswahl und im Verständnis von Material, Prozess und Design unterstützen, um diese erfolgreich umsetzen zu können.
Aktualisiert: 2022-09-15
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Dieser nützliche Leitfaden bietet einen praktischen Ansatz zur Herstellung von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Das Buch beginnt mit einer kurzen Geschichte bzgl. der Entwicklung der Carbon-Faser, definiert die Terminologie für alle Formen von festem Kohlenstoff sowie die Eigenschaften für elementarer Kohlenstoff und seinen allotropen Formen.
Es werden verschiedene Precursoren für Carbon-Fasern, entsprechende Oberflächenbehandlung und Schlichten für verschiedene auf den Weltmarkt erhältlichen Carbon-Faser-Typen vorgestellt. Das Buch gibt dabei einen hervorragenden Überblick bzgl. chemischer und physikalischer Eigenschaften von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Es werden zudem gängige Test- und Analyseverfahren zum Nachweis dieser Eigenschaften präsentiert.
In mehreren Kapiteln werden typische Verarbeitungsprozesse für Carbon-Fasern mit trockenen und auch imprägnierten Halbzeugen in Anwendungsbereichen wie Luft und Raumfahrt, Windindustrie und Automotive bis hin zur Bauindustrie dargestellt. Dabei werden die Vorteile und Nachteile verschiedenster Fertigungsverfahren ausgehend von Anwendungsbeispielen aufgezeigt.
Betrachtungen bzgl. C-Faser-Recycling und Nachhaltigkeit (Environmental footprint) sowie neue Entwicklungen im Bereich der Carbon-Faser-Herstellung sollen den Leser bei der Auswahl und im Verständnis von Material, Prozess und Design unterstützen, um diese erfolgreich umsetzen zu können.
Aktualisiert: 2022-10-11
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Gesamtziel des Projektes war die Entwicklung einer Basistechnologie zur Herstellung ligninbasierter Carbonfasern, welche es ermöglicht, kostengünstige Carbonfasern für neue Volumenmärkte herzustellen. Um dieses zu erreichen, wurden mechanische Eigenschaften von 1,5 GPa Zugfestigkeit sowie 150 GPa Zugmodul als Zielgrößen definiert.
Ziel des Teilvorhabens 2 war die Entwicklung einer Basistechnologie zur Herstellung ligninbasierter Precursoren im Schmelzspinnverfahren. Hierfür übernahm das Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) die Lignincharakterisierung unter schmelzspinntechnischen Gesichtspunkten und die Ligninaufbereitung mittels thermischer Vorbehandlung und / oder Lösungsmittelfraktionierung. Daraus sollte eine Modifizierungsroute entwickelt werden, die es ermöglicht kommerziell erhältliche Lignine für das Schmelzspinnen maßzuschneidern, so dass diese in ausreichender Menge auch für eine spätere Prozessskalierung zur Verfügung stehen würden. Die Entwicklung eines passenden Schmelzspinnprozesses zur Precursorherstellung auf Basis dieser optimierten Lignine schloss das Teilvorhaben ab.
Aktualisiert: 2022-04-23
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Die Atomlagenabscheidung gewinnt seit Beginn des neuen Jahrtausends sowohl in industrieller, als auch in akademischer Hinsicht zunehmend an Bedeutung. Die Möglichkeit, ultradünne Schichten nach einem kontrollierten Mechanismus auf eine Vielzahl von Substraten aufzubringen ist nicht nur allein für die Halbleiter-Industrie von immenser Bedeutung. Das Anwendungspotenzial reicht über biotechnologische und sensorische Anwendungen, wie Diffusionssperrschichten oder Gassensoren bis hin zur Erforschung von Solarzellen und Photohalbleitern für die nachhaltige Energiegewinnung.
Der erste Teil dieser Dissertation behandelt die Entwicklung neuer, luftstabiler Precursoren für die plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung metallischer Cobalt- und Nickelschichten unter Verwendung tridentater Enaminon-Liganden, sowie metallischer Kupferschichten durch den Einsatz bidentater Heteroarylalkenolat-Liganden. Ein speziell für das Zusammenspiel zwischen molekularer Stabilität und Reaktivität gegenüber funktionellen Gruppen der Substratoberfläche ausgelegtes Ligandenkonzept wird auf seine selbstlimitierenden Eigenschaften und damit auf seine Eignung als ALD-Precursor getestet.
Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung von Titandioxid-Photoanodenmaterialien für die solare Wasserelektrolyse. Die gezielte Modifikation von ALD-Titandioxidschichten mittels Wasserstoff- und Stickstoffplasma ermöglicht die Analyse der individuellen Einflüsse von Sauerstoff-Fehlstellen und der Dotierelemente Wasserstoff und Stickstoff auf die photoelektrochemischen Eigenschaften des Matrixmaterials, sodass leistungsstarke Photoanodenmaterialien in hohem reproduzierbarem Maßstab hergestellt werden können.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Ausgangslage der Dissertation ist der Bedarf an kostengünstigen Carbonfasern (Zielpreis: 5 - 12 ?/kg) für die Automobilindustrie mit bestimmten Anforderungen an die Carbonfasereigenschaften (Festigkeit: 1.730 - 2.800 MPa, E-Modul: 155 - 190 GPa). Ziel der Arbeit ist die Umsetzung einer Möglichkeit zur Kostenreduktion und Erreichung der geforderten Carbonfasereigenschaften. Die Hypothese der Arbeit besteht darin, dass dieses dadurch zu erreichen ist, in dem das alternative Precursormaterial Polyethylen im Schmelzspinnprozess ausgesponnen, kontinuierlich thermochemisch stabilisiert und anschließend kontinuierlich carbonisiert wird.
Der Ansatz besteht darin, PE-basierte Precursoren zu entwickeln, die für die thermochemische Stabilisierung geeignet sind, damit diese zu Carbonfasern konvertiert werden können. Es werden Anforderungen an die Precursoren definiert. Anforderungen sind Einzelfilamentdurchmesser, Kristallinität, Orientierung, mechanischen Kennwerte und Schrumpf. Im Rahmen der Arbeit wurde über den Durchlauf mehrerer Entwicklungszyklen ein industrieller Schmelzspinnprozess entwickelt, mit dem die Herstellung von polyethylenbasierten Precursoren möglich ist, die eine vollständige thermochemische Sulfonierung erlauben. Abschließend werden die stabilisierten Precursoren kontinuierlich carbonisiert. Die erreichten Eigenschaften der Carbonfasern liegen im Bereich der geforderten Eigenschaften der Automobilindustrie. Über eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde ein Preis von 9,40 ?/kg ermittelt. Festgehalten werden kann, dass über die Verwendung von Polyethylen als Precursormaterial eine kostengünstige Herstellung von Carbonfasern erfolgen kann.
Aktualisiert: 2020-12-08
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