Isotrope Halbzeuge für Thermoplast-CFK auf Basis von Recyclingkarbonfasern
Projektleiter: Gerald Ortlepp
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM Ost, MF 140033
Laufzeit: 01.09.2014 – 28.02.2017
Aufgabenstellung
Geht es heute um Leichtbaukonzepte, steht die Nutzung von Karbonfaserstoffen an vorderster Stelle. Einhergehend mit zunehmenden Einsatzmengen von Karbonfasern fallen entsprechende Recyclingkarbonfasermengen (rCF) aus den verschiedensten Aufbereitungsverfahren an, für die eine Wiederverwertung mit maximaler Wertschöpfung notwendig ist. Die anfallenden rCF werden heute zu einem großen Teil mit mattenbildenden Technologien, derzeit hauptsächlich zu 100%, zunehmend jedoch auch in Mischungen mit thermoplastischen Fasern, für den wachsenden Markt der karbonfaserverstärkten Thermoplastverbunde verarbeitet.
Als mattenbildende Trockenlegetechnologien dominieren Krempelprozesse oder Wirrvlieslinien. Diese sind apparativ aufwändig und entsprechend kostenintensiv. Parallel dazu werden am Markt vereinfachte Vlieslinien angeboten, die zur Schichtbildung nur einen Faserspeiser verwenden. Gegenstand des konzipierten FuE-Projektes war der Eignungstest einer solchen Mattenbildung für karbonfaserverstärkte PP- und PA6-Verbundwerkstoffe. Dabei galt es herauszuarbeiten, unter welchen Bedingungen, Anforderungen an die Faservormischung und technischen Modifikationen der Anlagentechnik diese Technologie für die Thermoplast-/rCF-Mischvliesfertigung nutzbar gemacht werden kann. Anhand der mechanischen Kennwerte aus solchen Matten hergestellter Faserverbunde sollte die Anwendbarkeit für den CFK-Sektor demonstriert werden.
Ergebnisse
Es konnte gezeigt werden, dass mittels dieser einfachen und kostengünstigen Technologie Mischvliese aus rCF und einer Thermoplastfaserkomponente für den Faserverbundsektor erzeugt werden können. Als Fasermischungen wurden 60/40 PP/rCF sowie 60/40 PA6/rCF getestet. Gegenüber dem anlagen- und kostenintensiven Einsatz einer Wirrvliesanlage oder einer Krempelvliesanlage wird die Mattenbildung allein durch einen modifizierten Speiser übernommen, mit dem die im Faserverbundsektor in der Regel eingesetzten Flächenmassen > 500 g/m² herstellbar sind.
Für eine hohe Faserverbundqualität ist es wichtig, dass die beiden Faserkomponenten rCF und Thermoplastfaser dabei vor der Mattenbildung intensiv und homogen durchmischt werden, da nach dem eingesetzten Speiser keine weiteren homogenisierenden Technologieschritte folgen. Bei Einsatz von PP-Fasern als spätere Kunststoffmatrix empfiehlt es sich, eine handelsübliche PP-Faser mit Haftvermittler zu verwenden oder alternativ den Haftvermittler als Pulver in geringen Mengen bis 1% in einem Zusatzprozess vor der Vliesverfestigung zuzusetzen.
Anwendung
Aktuell wird der Hauptteil der Karbonfaserstoffe in duromeren Matrices zu Faserverbundwerkstoffen verarbeitet. Wie Literaturrecherchen zeigen, geht der Entwicklungstrend zunehmend in Richtung der Anwendung von CF in thermoplastische Matrices, die gegenüber den duromeren Matrices den Vorteil einer sehr guten stofflichen Recycelbarkeit bei gleichzeitig verbessertem Crashverhalten aufweisen.
Im Vergleich zum klassischen Vliesstoffmarkt ist der Markt für Spezialvliesstoffe aus Recyclingcarbonfasern bedingt durch die immer noch relativ geringen Mengen an gewinnbaren rCF klein, ist jedoch aufgrund der mit solchen Vliesstoffen realisierbar hohen Wertschöpfung ein bedeutender Bestandteil von Kostenoptimierungskonzepten für alle Leichtbaukonzepte auf Basis von CFK.
Mit dem im Projekt angewandten und untersuchten Verfahrensansatz wurde ein besonders kostengünstiges Verfahren in den Fokus gerückt und dessen Eignung für die Herstellung von mittelschweren bis schweren Mischvliesen als Halbzeuge für thermoplastische CFK demonstriert. Von Textilmaschinenbauern wird solche vereinfachte Mattenbildungstechnik beispielsweise unter der Bezeichnung „Vliesbildung mittels Flockbeschickung“ für die Verarbeitung von 100% rCF angeboten. Diese Technologie wäre analog damit auf Mischsortimente rCF/Thermoplastfaser für die Organoblechfertigung ausweitbar und bietet derzeitigen Anwendern dieser Technologie die Möglichkeit, neben 100% rCF auch Fasermischungen zu verarbeiten.