Entwicklung eines mehrstufigen Carbonisierungsprofils für die Herstellung von polyethylenbasierten Carbonfasern

Carbonfasern und ihre Verbundwerkstoffe sind dank ihrer einzigartigen Kombi-nation aus herausragenden mechanischen Eigenschaften, einer hohen Beständigkeit sowie einem geringen Gewicht ein attraktives Material für zahlreiche Industriebereiche. Der Einsatz von Carbonfasern ist jedoch aufgrund ihres hohen Einkaufspreises von durchschnittlich 20 ?/kg auf wenige Hochleistungsanwendungen begrenzt. Die Produktion von Carbonfasern wird über ein mehrstufiges Verfahren realisiert, wobei die Herstellung der Precursorfaser aus Polyacrylnitril mit ca. 50 % den Großteil der Produktionskosten verursacht. Der Einsatz eines alternativen Precursormaterials bietet daher ein großes Kosteneinsparpotenzial.
Das Ziel der Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von kostengünstigen Carbonfasern aus polyethylenbasierten Precursoren. Es wird gezeigt, dass die erreichbaren mechanischen Eigenschaften und der Kostenvorteil von polyethylenbasierten Carbonfasern die Anforderungen für den Einsatz in Großserienanwendungen erfüllen.
Bei der Entwicklung des neuen Prozesses wird neben dem Stabilisierungsprozess insbesondere der Carbonisierungsprozess und sein Einfluss auf die Fasereigenschaften betrachtet. Darüber hinaus wird eine detaillierte Analyse der Produktionskosten auf der Grundlage eines industriellen Produktionsmodells durchgeführt.
Das zentrale Ergebnis ist ein Prozess, der die Herstellung polyethylenbasierter Carbonfasern mit einer Bruchspannung von bis zu 2,22 GPa und einem E-Modul von bis zu 170 GPa ermöglicht. Der prognostizierte Verkaufspreis liegt bei 11,14 ?/kg. Die hergestellten Carbonfasern erfüllen damit die Anforderungen für einen Großserieneinsatz.