Werkstoffe und Produkte der Zukunft? Karbonfasern

Transkript

1 Werkstoffe und Produkte der Zukunft? Karbonfasern Prof. Dr.-Ing. Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe RWTH Aachen University 20. Dreiländertreffen Wien 20. Oktober 2015

2 Inhalt I. Einführung II. CFK-Herstellung III. Entsorgung I. Optionen & Problematik II. Recyclingverfahren III. Eigene Arbeiten IV. Fazit 2 von 47

3 Einführung

4 Einführung CFK-Nutzung Mobilität & Konstruktion 4 von 47

5 Einführung CFK-Nutzung Sport & Freizeit 5 von 47

6 Einführung CFK-Nutzung Lifestyle 6 von 47

7 Einführung Verwendung Verbreitet in vielen Branchen Produktionskosten /kg Carbon Composites von 47

8 Einführung Produktionsmengen [Tsd. Tonnen/Jahr] Carbon Composites von 47

9 CFK-Herstellung

10 CFK-Herstellung Überblick CFK-Produktion Verstrecken, Präparieren, Trocknen chain.html Formgebung Aufbringen Matrixmaterial (oft Epoxydharz) Zugabe Vernetzer (Härter) 10 von 47

11 CFK-Herstellung Aufbau Matrix Faser Schlichte Bestandteile: Faser Karbon Stabilität Matrix Kunststoff (Epoxyharz) Faserverbindung, absorbes pressure Schlichte organische Zwischenschicht Verbessrung Verbindung Matrix Faser Carbon-deutschland.de, fortis-saxonia.de 13 von 47

12 Entsorgung Optionen & Problematik

13 Entsorgung Optionen Deponierung nach DepV nicht ohne Vorbehandlung zulässig Kohlenstoffgehalt Thermische Entsorgung in MVA problematisch Fasern verstopfen Filter und Einlass Leitfähigkeit führt zu Stromausfällen Sondermüllverbrennung bei GSB bis 500 /t Rückgewinnung und Wiederverwertung der Fasern CFK Valley Stade jato ELG Carbon Fibre Ltd. Coseley GB jato Weitere thermische Optionen Zementwerk Klinkerqualität! Hochofen 15 von 47

14 Entsorgung Faserproblematik Partikel aus der mechanischen CFK-Bearbeitung DGUV 10/ von 47

15 Carbonfasern ccc Bei hohen Temperaturen könnten die Folgen alles andere als vorübergehend sein. Denn die Untersuchungen zeigen, dass sich CFK ab 650 Grad in einen gefährlichen Partikelstaub verwandelt, der auch in die Lunge geraten kann. Bei diesen Temperaturen verändern sich die mikroskopisch kleinen Carbonfasern: Sie werden noch feiner. So bleiben sie nicht mehr in der Nasenschleimhaut stecken, sondern kommen tief in die Lunge. 17 von 47

16 Carbonfasern Erste Gefährdungseinstufung der Berufsgesnossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie Untersuchungen der Schlacke einer SMVA nach Verbrennung von Carbonfaser-haltigem Material Identifikation von Carbonfasern bzw. Carbonfasrersplittern < 3 µm 18 von 47

17 Entsorgung Recyclingverfahren Inputfraktionen

18 Entsorgung Typische Monofraktionen Laminate Mehrere Ebenen, vernetzt, hohe Festigkeit & Materialstärken Prepreg Vorimprägnierte Teile, einlagig, weniger starr Dry fibre Geschlichtete Faser mit keinem/geringem Anteil Matrix, elastisch 20 von 47

19 Entsorgung Recyclingverfahren ELG Carbon Fibre Ltd. Coseley

20 Recycling ELG Carbon Fibre 22 von 47

21 Recycling ELG Carbon Fibre Produkte (Auswahl) Gemahlene Fasern Faserlänge Ø 100 μm Zerkleinerte Fasern Faserlänge mm Geschnittene Fasern Faserlänge 6 oder 12 mm 23 von 47

22 Entsorgung Recyclingverfahren CFK Valley Stade

23 Recycling CFK Valley Stade Schema Nachzerkleinerung Produktverladestelle Pyrolyseofen Materialaufgabe auf Gitterplatten 25 von 47 [cfk-recycling.com]

24 Recycling CFK Valley Stade Manuelle Eduktvorbereitung 26 von 47

25 Recycling CFK Valley Stade Zuführung auf Gitterahmen 27 von 47

26 Recycling CFK Valley Stade Schleuse zum Pyrolyseofen Gitterroste 28 von 47

27 Recycling CFK Valley Stade Ofen von innen Rauchgasabzüge Rollensystem 29 von 47

28 Recycling CFK Valley Stade Zuführung auf Gitterahmen Nachbrennkammer Rauchgasabzüge Pyrolysegas T > 500 C Prozessbeheizung durch Abgasrückführung 30 von 47

29 Recycling CFK Valley Stade Ofenausgang 31 von 47

30 Recycling CFK Valley Stade Produktverladung 32 von 47

31 Recycling CFK Valley Stade Produkte 33 von 47

32 Recycling CFK Valley Stade Produkte rcfk-pellets Geschnittene/gemahlene Produkte rcfk-vlies Geschnittene Fasern 34 von 47

33 Entsorgung Eigene Arbeiten

34 Entsorgung Eigene Arbeiten Untersuchungen TGA Erhitzungsmikrokoskop Retorten Drehrohr VWZ Faserreinheit versus Faserstabilität Atmosphäre Temperatur 36 von 47

35 Entsorgung Eigene Arbeiten Parameter und Auswirkungen: Temperatur 400 C, 90 min VWZ 550 C, 40 min VWZ 670 C, 20 min VWZ 37 von 47

36 Entsorgung Eigene Arbeiten Parameter und Auswirkungen: Verweilzeit, Atmosphäre 670 C + 5 min Ox 670 C, keine Ox, doppelte VWZ 670 C + 20 min Ox 38 von 47

37 Entsorgung Eigene Arbeiten Erhitzungsmikroskop Einfluss Atmosphäre ( C) Zeitraffer ca. Faktor 30 Stickstoff Luft Sauerstoff 39 von 47

38 Temperatur [ C] Gewicht [%] Entsorgung Eigene Arbeiten TGA Einfluss der Atmosphäre Temperatur N₂ 20 Luft Zeit [s] 40 von 47

39 Temperatur [ C] Gewicht [%] Entsorgung Eigene Arbeiten TGA Einfluss der Atmosphäre Temperatur N₂ 20 Luft Zeit [s] 41 von 47

40 Entsorgung Eigene Arbeiten Technikumsvesuche Produktverteilung CFK-Pyrolyse Ausbeutevergleich bei unterschiedlichen Temperaturen 42 von 47

41 Entsorgung Eigene Arbeiten Ergebnisse thermische Behandlung (TGA bis 1000 C) 43 von 47

42 Entsorgung Eigene Arbeiten Ergebnisse Pyrolyse unter N 2 schont Fasern, lässt allerdings Kohlenstoffrückstände auf der Faser Zur Aufreinigung der Fasern Verweilzeit relevant Kohlenstoffreste sind unter Sauerstoff vollständig umsetzbar O 2 entfernt die Rückstände, schädigt aber Fasern Mögliche Lösungsansätze Gestufte Prozessführung: - erst Pyrolyse - dann O 2 -Nachbehandlung verringerte Sauerstoffkonzentration 44 von 47

43 Fazit

44 Fazit Ergebnisse TGA CFK-Fasern sind Wachstumsmarkt die Abfallströme werden kommen Entsorgungssituation nicht gelöst Verbrennung in MVA problematisch Keine ausgereiften Recyclingverfahren Downcycling mit aktuellen Verfahren kaum vermeidbar Optionen für künftige Entsorgung Strikte Getrennthaltung der Fraktion (keine Entsorgung über Restmüll) Qualität Recyclingverfahren muss verbessert werden Thermische Behandlungsverfahren auf Anwendbarkeit prüfen (MVA?, Zementwerk?, Hochofen,?) 46 von 47

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. RWTH Aachen University Aachen