Ressourceneffiziente Faser-Matrix Separation für das Recycling von Carbonfaserstrukturen

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1 finanziert durch Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz FORCycle - Teilprojekt 7 Ressourceneffiziente Faser-Matrix Separation für das Recycling von Carbonfaserstrukturen

2 Zusammenfassung Die Leichtbauweise von Fahrzeugen und damit der Einsatz von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) ist eine der wesentlichen Zukunftstechnologien zur Reduktion von Emissionen. Hohe Materialkosten sowie ein hoher Energiebedarf bei der Herstellung der Carbonfasern (CF) schränken gegenwärtig, trotz der sehr guten gewichtsspezifischen Eigenschaften, den großflächigen Einsatz von CFK ein. Das Recycling von Carbonfasern ermöglicht einen ressourceneffizienten Gesamtlebenszyklus der Carbonfaser. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines faserschonenden, ressourceneffizienten Separationsverfahrens von Fasern und Matrix. Mittels einer angepassten Prozessführung soll der Aufwand für eine weitere Aufbereitung der rezyklierten Carbonfasern (rcf), zum Beispiel in Form einer Reinigung der Faseroberfläche, reduziert werden. Der Prozess der Vliesherstellung soll mit Hilfe des Einsatzes von Neufasern weiterentwickelt, und auf recycelte Carbonfasern übertragen werden. Insbesondere soll der Einfluss der Faserlänge auf die Verarbeitbarkeit und auf die mechanischen Eigenschaften rcf-basierter CFK-Bauteile untersucht werden. Durch das Forschungsvorhaben wird eine Steigerung der Gesamtproduktivität und Wirtschaftlichkeit des C-Faser Einsatzes angestrebt. Dies soll zu einer Reduktion des Energieverbrauches sowie der klimaschädlichen Emissionen beitragen. Seite 2

3 Projektstruktur Seite 3

4 Grundlagenuntersuchungen: Einfluss der Faserlänge auf mechanische Performance eines rcf-basierten Strukturbauteils alle Zwischenschritte der Verarbeitung Ziele Hohe mechanische Performance der rcf Grundlagenverständnis zur Korrelation der rcf- Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit Reduktion von Energieverbrauch und Emissionen im Vergleich zur Pyrolyse Steigerung der Gesamtproduktivität und Wirtschaftlichkeit Seite 4

5 Superkritische Fluide (SCF) Hohes Lösevermögen von Flüssigkeiten Geringe Viskosität von Gasen Gute Handhabbarkeit + Umweltverträglichkeit unter Normalbedingungen Ausarbeitung eines geeigneten Versuchsaufbaus zur Separation von Carbonfaser und Matrixmaterial (in Zusammenarbeit mit der Universität Bordeaux) Seite 5

6 Superkritische Fluide (SCF) Versuchsreihe 1: Identifizierung geeigneter, umweltverträglicher Lösemittel Identifizierung geeigneter Prozessparameter (Druck, Temperatur, Zeit, Konzentration) konstanter Lösemittelstrom erforderlich Analyse: Masserückstand auf C-Fasern Mikroskopie (REM) Matrixrückstände auf der Faseroberfläche matrixfreie Faseroberfläche Seite 6

7 Superkritische Fluide (SCF) Versuchsreihe 2: Durchführung gezielter Experimente im durch Versuchsreihe 1 identifizierten Parameterraum Exp. Temp. [ C] Zeit [min] Fluid X X/Y X/Y X/Y X/Y X/Y X X X Detaillierte Oberflächenanalyse: Mikroskopie (REM) Oberflächenchemie (XPS) Mechan. Kennwerte (Einzelfaserzugversuch) Seite 7

8 Induktive Faser-Matrix-Separation selektive Erwärmung der leitfähigen Carbonfasern mittels Induktion um die Faser-Matrix-Anbindung zu lösen Yarlagadda, 2002: (A Study on the Induction Heating of Conductive Fiber Reinforced Composites) Konzipierung und Aufbau eines Versuchssetups zur induktiven Faser-Matrix-Separation Seite 8

9 Induktive Faser-Matrix-Separation Erwärmung: Schädigung (Ultraschallmikroskopie) Analyse der induktiv recycelten Carbonfasern: Mikroskopie (REM) Oberflächenchemie (XPS) Seite 9

10 Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Einzelfasern mechanische Kennwerte (Einzelfaserzugversuch) Prüfparameter Einspannlänge [mm] 25 Geschwindigkeit Zugprüfung [mm/min] 2 Anzahl gemessener Fasern 15 Ergebnisse (Statistik) Bruchkraft [N] Festigkeit [MPa] E-Modul [GPa] Bruchdehnung [%] Referenzfasern 0,139 ± 0, ± ± 8 1,77 ± 0,57 induktiv separierte Fasern SCF separierte Fasern (in Arbeit) 0,157 ± 0, ± ± 9 1,83 ± 0, Nach Auswertung der ersten Messungen bleiben die mechanischen Eigenschaften der Fasern auch nach dem Separationsprozess weitgehend erhalten! Seite 10

11 AP 3 - Unterschiedliche Thermische Verfahren Pyrolyse Zerkleinerung Temperatur: C Sauerstoffausschluss durch Inertgas oder Vakuum Keine chemische Verbrennungsreaktion Thermische Zersetzung der Molekülbindung Teiloxidation rcf - unbehandelt optional: Oberflächenbehandlung Pyrolyse Sauerstoffzufuhr zur Verbrennung von Pyrolyse- Koks (Matrix-Rückstände) Energiegewinnung aus den Zersetzungsprodukten möglich Anrauen der Kohlenstofffaseroberfläche Faserschädigung durch Oxidation Seite 11 Materialaufgabe CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG, ( ).

12 AP 3 - Einfluss von Sauerstoff auf die Kohlenstofffaser Seite 12

13 AP 3 - Einfluss von Sauerstoff auf die Kohlenstofffaser Seite 13

14 AP 4 - Dispergierversuche / Vliesherstellung Vorversuche mit unterschiedlichen Dispergiermitteln zeigen deutliche Effekte Inbetriebnahme der Anlage zur Vliesherstellung abgeschlossen Noch unzureichende Dispergierung der Fasern Seite 14

15 AP 1 - Allgemeine Festlegungen Relevante Prozesstechnologien Müllverbrennungsanlage MVA (Benchmark) Pyrolyse Superkritische Fluide (Thermisches Verfahren) Übergeordnete Vergleichsbasis Neufaser Anwendungsbereich der Studie Erhebung der ökologischen und ökonomischen Kennzahlen im Labormaßstab Diskussion der Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf einen industriellen Einsatz Seite 15

16 AP 1 - Definition der Systemgrenzen Seite 16

17 AP 1 - Definition der Bewertungskriterien Ökologische Bewertungskriterien: Prozessenergie / Stoffströme Methode zur Wirkungsabschätzung CML2001-Apr Primärenergiebedarf (nrr. und rr.) Ökonomische Bewertungskriterien: Kosten einer Neufaser (Endabnehmer Preis) Prozesskosten (s. Systemgrenzen) einer Rezyklatfaser Maschinenstundensatz (Abschreibungskosten, kalkulatorische Zinsen, etc.) Personalkosten, Materialkosten Prozessdauer Kosten aufgrund notwendiger Sicherheitsmaßnahmen Müllgebühren für eine Müllverbrennungsanlage Seite 17

18 Industriebeteiligungen - Versuche Fa. Pill NVT Nassvliesherstellung an externer Hardware (FH Reutlingen & Pill NVT) Infiltration mit Epoxidharz Ermittlung mech. Kennwerte steht noch aus Referenzmaterialien: Tenowo, SGL ACF Seite 18

19 Industriebeteiligungen - Versuche Fa. Pill NVT Versuchsmatrix der Nassvliesherstellung: Versuchsnummer Zusammensetzung CF/PP [%] Faserlänge [mm] Dispergiermittel FFG [g/m²] Versuch 1 70/ g Guarmehl 70,5 Versuch 2 80/ g Guarmehl 62,7 Versuch 3 90/ g Guarmehl 62,4 Versuch 4 90/ ,5 % CMC 72,3 Versuch 5 90/ % CMC 72,3 Versuch 6 90/ ,5 % CMC 74,3 Versuch 7 95/5 36 0,5 % CMC 56 Versuch 8 90/10 C40 0,5 % CMC 54,4 Fasermatten unterschiedlicher Zusammensetzungen und Faserlängen konnten hergestellt werden Geeignete Dispergiermittel und Mengen konnten identifiziert werden Seite 19

20 Zugfestigkeit [MPa] Elastizitätsmodul [GPa] ForCYCLE Industriebeteiligungen Fa. Tenowo Ergebnisse aus der Zugprüfung nach DIN Zugfestigkeit E-Modul 7 Lagen mit PA 6 Lagen mit EP 7 Lagen mit Prepegdecklagen Sowohl mit Thermoplast- und Duromermatrix konnten gute Festigkeiten erreicht werden Durch das Einbringen von UD-Lagen an der Ober- und Unterseite kann die Festigkeit noch einmal deutlich erhöht werden Seite 20

21 Kontakt Prof. Dr. Siegfried Horn Telefon +49 (0)821 / horn@physik.uni-augsburg.de Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler Telefon +49 (0)821 / klaus.drechsler@ict.fraunhofer.de Dr. Wolfgang Müller Telefon +49 (0)821 / wolfgang.mueller@physik.uni-augsburg.de Jakob Wölling Telefon +49 (0)821 / jakob.woelling@ict.fraunhofer.de Universität Augsburg, Institut für Physik Lehrstuhl für Experimentalphysik II Universitätsstraße Augsburg Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau des ICT Am Technologiezentrum Augsburg Seite 21