Faserverbundwerkstoff Nachhaltige Carbonfasern auf Basis von Cellulose

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Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP haben zusammen mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg neuartige Carbonfasern auf Basis von Cellulose entwickelt. Sie verbinden strukturelle Vielfalt, hohe elektrische, thermische und mechanische Leistung mit Nachhaltigkeit.

Klassische Carbonfasern, wie sie etwa im Leichtbau eingesetzt werden, werden meist aus dem erdölbasierten Polymer Polyacrylnitril (PAN) gewonnen. Ihre Herstellung ist aufwändig, energie- und ressourcenintensiv. Darüber hinaus fallen große Mengen toxischer Nebenprodukte an. Eine weitere erdölbasierte Variante sind pechbasierte Carbonfasern. Sie besitzen sehr gute elektrische und wärmeleitende Eigenschaften, sind allerdings technisch höchst anspruchsvoll und kostspielig in der Produktion.

Das Fraunhofer IAP begegnet diesen Herausforderungen mit einer neuen Generation leistungsfähiger Carbonfasern – biobasiert und nachhaltig. Sie vereint strukturelle Variabilität mit anpassbaren Eigenschaften. Ihre Einsatzmöglichkeiten reichen dabei über den Leichtbau für Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Windkraft oder Medizin hinaus: Als Komponente in Batterien und Brennstoffzellen können sie als elektrisch-thermisch leitfähiges sowie durchlässiges und chemisch stabiles Gewebe dienen. Auch zur Abschirmung sensibler Elektronik sind sie bestens geeignet.

Der Ansatz des Fraunhofer IAP: Cellulose dient als nachwachsender Ausgangsstoff für Präkursoren – die Vorstufe der Carbonfasern. Präkursor-Fasern werden mit industriell etablierten Spinnverfahren wie der Viskose- oder Lyocell-Technologie, aber auch durch alternative Umformungsverfahren, zu endlosen Fasern versponnen. Additive wie z. B. Lignin, das wie Cellulose aus Holz gewonnen wird, lassen sich dabei direkt in die Spinnlösung einarbeiten und steigern so die Kohlenstoffausbeute bei der späteren Konvertierung zu Carbonfasern erheblich.

Hohe Variabilität durch Spinnverfahren und Additive

Ein Vorteil der Cellulose: Die Struktur der Präkursor-Fasern und damit die resultierende Carbonfaser lässt sich gezielt über das gewählte Spinnverfahren und die Spinnprozessparameter steuern. So entstehen unterschiedliche Porositäten, Orientierungs- und Kristallinitätsgrade sowie Querschnitte – beispielsweise rund, oval oder gelappt. Letztere bietet eine besonders hohe spezifische Oberfläche und eignet sich daher u.a. für den Einsatz in leitfähigen, porösen Trägerstrukturen für permeable Elektroden in Redox-Flow-Batterien oder für Gasdiffusionslagen in Brennstoffzellen.

Die gesponnenen cellulosischen Endlosfasern durchlaufen anschließend ein wässriges Bad mit funktionellen Zusätzen wie Katalysatoren und Additiven. Dieser Schritt dient der Aktivierung für die anschließende thermische Umwandlung zu Carbonfasern. Dabei wirkt die Cellulosefaser wie ein Schwamm und saugt die Zusätze aus dem Bad effizient auf. Ein am Fraunhofer IAP entwickeltes System aus Katalysatoren und Additiven senkt die Carbonisierungstemperatur um mehr als 1.000 °C, beschleunigt den Prozess und steigert die Ausbeute an Kohlenstoff von 15 auf 45 Gewichtsprozent.

Werden die Prozessparameter – z. B. Temperatur, Verweilzeit oder mechanische Verstreckung – während der Carbonisierung gezielt optimiert, können Faserdurchmesser von deutlich unter vier Mikrometern erreicht werden. Das ist insbesondere für Brennstoffzellen interessant. Zum Vergleich: marktübliche Fasern liegen im Bereich von sieben Mikrometern.

Die Kombination aus Spinn-, Aktivierungs- und Carbonisierungstechnologie erlaubt die Entwicklung maßgeschneiderter Fasertypen für unterschiedlichste Anwendungen. Dr. Jens Erdmann, Experte für biogene Carbonfasern am Fraunhofer IAP, betont: „Unsere Carbonfasern verbinden technische Höchstleistung mit Nachhaltigkeit: Ihre mechanischen Eigenschaften erreichen das Niveau erdölbasierter High-Modulus-Carbonfasern aus PAN – also das von Hochleistungs-Carbonfasern. Zudem zeigen sie eine elektrische und thermische Performance, wie man sie von pechbasierten Fasern kennt.“

Carbon Lab Factory Lausitz: Brücke zur industriellen Skalierung

Die Technikumsversuche am Fraunhofer IAP zeigen das große Potenzial der Technologie – dieses soll nun durch die Initiative der „Carbon Lab Factory Lausitz“ in den Pilotmaßstab überführt werden. Die neue Infrastruktur wird die gesamte Wertschöpfungskette – vom Rohstoff über die Carbonfaser bis hin zum Bauteil – in Deutschland abbilden. Die Initiative wurde gemeinsam mit der TU Chemnitz und dem Institut für Leichtbau und Wertschöpfungsmanagement der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg gestartet und ist ein länderübergreifendes Projekt zwischen Sachsen und Brandenburg. Sie unterstützt den Aufbau einer weltweit einzigartigen Forschungsinfrastruktur für Carbonfasern und damit den Strukturwandel in der Lausitz.

„Wir spüren deutlich, dass das Interesse an nachhaltigen Materialien stetig wächst“, sagt Erdmann. „Doch ökologische Vorteile allein reichen nicht aus, um sich am Markt zu behaupten – auch die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit muss überzeugen. Genau hier setzen wir an: Uns ist es gelungen, ökologische Verantwortung mit technischer Exzellenz und ökonomischer Effizienz zu verbinden. Die Möglichkeit, die Eigenschaften unserer Fasern gezielt und flexibel anzupassen, eröffnet neue Anwendungsfelder und klare Wettbewerbsvorteile – ein entscheidender Schritt zur wirtschaftlichen Zukunftsfähigkeit.“

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