Verstärkungsfasern aus Luftspaltspinnen (PAN)
Projektleiter: Menno Foorden
Projektnummer: 49MF210009
Laufzeit: 01.07.2021 – 31.12.2023
Aufgabenstellung
Im TITK wird ein eigenständiges Verfahren zum Luftspaltspinnen entwickelt. Bisher wurden auf das Nassspinnverfahren optimierte Polymere eingesetzt. In diesem Projekt wurden Polymere speziell für die Anforderungen des Luftspaltspinnens hergestellt, um eine bessere Verarbeitbarkeit und Faserqualität zu erreichen. Ihre Eignung zur Karbonisierung wurde ebenfalls untersucht.
Ergebnisse
Es ist gelungen, sowohl PAN-Homo- als auch Copolymere mit unterschiedlichen Molmassenverteilungen herzustellen und zu verspinnen (siehe Abb.1). Es konnte gezeigt werden, dass eine breitere Molmassenverteilung und höhere durchschnittliche Molmasse zu stabilerem Spinnverhalten führen. Es ließen sich Lösungen mit bis zu 25% Polymergehalt verspinnen, wobei die maximal mögliche Nassreckung umgekehrt proportional zum Polymergehalt ist.
Eine nachfolgende Heißreckung bei 195°C erhöht die Faserfestigkeit (siehe Tab.1), erzeugt aber einen Gelbstich in der Faser (siehe Abb.2). Gröbere Fasern spinnen stabiler. Die erhaltenen PAN-Filamente lassen sich zu Karbonfasern veredeln, deren Festigkeit über 1800 MPa und E-Modul über 240 GPa beträgt.
Die Arbeit demonstriert, dass der Einsatz von Naturfasern zur Faserverstärkung und der Einsatz von biobasierten duromeren Harzsystemen nicht zwingend zu Werkstoffunterschieden oder schlechteren Werkstoffeigenschaften führen und sich biogene Rohstoffe auch zur Herstellung von leistungsfähigen Werkstoffen eignen.
Anwendung
Stand der Technik für die Herstellung von PAN-Fasern ist das Nassspinnverfahren. Entscheidende Nachteile dabei sind die Notwendigkeit des Einsatzes feiner Düsenbohrungen (Druckaufbau) und die relativ hohen Viskositäten beim Spinnen in kalte Spinnbäder. Am TITK wurde eine Methode zum Luftspaltspinnen von PAN erprobt, mit der diese Nachteile beseitigt werden. Durch die räumliche Trennung der Düse und des Spinnbades war es möglich, die Lösung heißer und die Düsenlöcher größer zu gestalten. Beides erhöht die maximal mögliche Konzentration von PAN in Lösung für einen Spinnprozess. Dadurch lässt sich aus dem gleichen Lösungsdurchsatz eine größere Menge Fasern gewinnen. Durch die Entwicklung neuer Polymerqualitäten konnten die Einbußen der Faserqualität, die das Luftspaltspinnen im Vergleich zum Nassspinnen bisher lieferte, reduziert werden. Der Effizienzgewinn des Luftspaltspinnens könnte die Produktivität und Rentabilität von PAN-Spinnereien erhöhen und den Faserpreis senken, wovon Hersteller und Kunden gleichermaßen profitieren könnten.
