Reduktion der Stabilisierungszeit bei der Herstellung von PAN-basierten Carbonfasern
Franz Pursche
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.
