Untersuchungen zum Wirkmechanismus von Carbon-Stapelfasern in duroplastischen Matrixmaterialien

Ziel des Forschungsprojektes war es, grundlegende Fragestellungen beim Einsatz von flächigen Halbzeugen aus Hochleistungsstapelfasern zu untersuchen. Dabei lag der Fokus auf dem Einsatz recycelter Carbonfasern (rCF), da es sich dabei um ein hochwertiges Produkt handelt, dass aufgrund des guten Eigenschaftsniveaus die Möglichkeit bietet, kostengünstige Hochleistungsverbunde herzustellen und dadurch auch neue Anwendungsfelder in anderen Bereichen als der Luft- und Raumfahrt zu erschließen.

Dabei galt es zu klären, welche Einflüsse                                                                                

• das angewendete Recyclingverfahren,
• die eingesetzte Faserlänge,
• die Technologie zur Halbzeugherstellung und
• das angewandte Verfahren zur Verbundherstellung auf die resultierenden Verbundkennwerte haben.

Ergebnisse

Dazu wurden geschnittene Primärfasern und rCF aus unterschiedlichen Recyclingverfahren zu Nassvliesstoffen, Krempelvliesen und luftgelegten Wirrvliesen verarbeitet und mit Epoxidharz zu Verbunden konsolidiert.

In Abhängigkeit von den eingesetzten Carbonfasern und dem angewandten Vlieslegeverfahren resultiert ein breites Kennwertespektrum. Es können mechanische Verbundeigenschaften erreicht werden, die sich mit GFK vergleichen lassen, wobei deutliche Gewichtsvorteile möglich sind.

Anwendung

Leichtbauanwendungen und Verbundwerkstoffe nehmen eine immer wichtigere Rolle in der Industrie ein. Damit begegnet man den großen Problemen unserer Zeit – Klimawandel und Rohstoffknappheit. CFK konkurrieren mit Glasfaserverstärkten Verbunden (GFK) und Leichtmetallen wie Aluminium. Bei der Substitution von Aluminium durch CFKs erreicht man höhere Festigkeiten bei geringerem Gewicht. So kann man etwa 40% Gewicht bei der Substitution von Aluminium durch CFK einsparen. Im Vergleich zu GFK haben CFK ebenfalls Gewichtsvorteile (Vergleich Dichte Glasfasern = 2,5 – 2,6 g/cm³; Dichte Carbonfasern = 1,75 – 1,91 g/cm³). Hauptkriterium für die Substitution von GFK durch CFK ist jedoch die wesentlich höhere Zugfestigkeit und vor allem Steifigkeit der Carbonfasern.

Durch den zunehmenden Einsatz von CF und CFK kommt es verstärkt zu Abfällen, sowohl als CF (bspw. Rovingreste), als unausgehärtete/trockene CF (Stanz- und Schnittabfälle) und auch als gehärtete CFK (fehlerhafte Bauteile, Bauteile am Produktzyklusende). Aufgrund des hohen Preises von Primärfasern ist man seit längerem bemüht, effektive und kostendeckende Recyclingstrategien zu entwickeln. In Deutschland wurden zwei Pyrolyseanlangen zur Gewinnung von rCF aus CFK errichtet, aber auch die mechanische Aufbereitung trockener Stanzabfälle wurde bereits industriell umgesetzt. Ganz gleich, aus welchem Verfahren die anfallenden rCF stammen, es handelt sich immer um endliche Fasern, die nicht so verarbeitet und eingesetzt werden können wie Primär-CF und für die folglich gilt, entsprechende Einsatzgebiete zu erschließen. Dass rCF nicht nur als Mahlgut, sondern mit entsprechender Halbzeugfertigung aufbereitet, als effektive Verstärkungskomponente für CFK wieder einsetzbar sind, konnte durch die Projektarbeiten gezeigt werden.

Der Einsatz von rCF trägt daher sowohl zum Umwelt- und Ressourcenschutz bei (Leichtbau und Recycling) als auch zur Stärkung von KMU aus den Bereichen Recycling, Vlies- und Mattenherstellung und Verbundherstellung.