Carbonisierung von verbesserten Precursorfasern zur Herstellung von duroplastischen Verbundwerkstoffen
Projektleiter: Dr. Peter Bauer
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM-Ost, MF 140081
Laufzeit: 01.11.2014 – 30.04.2017
Aufgabenstellung
Im Zuge des Forschungs- und Entwicklungsprojektes sollten Precursormaterialien entwickelt und präpariert werden, um das Carbonisierungsverhalten in Abhängigkeit vom Polymerisationsverfahren sowie von der Zusammensetzung der Acrnitrilcopolymerisate untersucht werden. Diese sollten sich als optimierte Vorläufermaterialien exzellent in Dimethylsulfoxid verspinnen lassen. Außerdem sollten sich die Precursortypen geringem Energieaufwand stabilisieren und schonend zu hochfesten Kohlenstoff-Fasern bis 1500°C carbonisieren lassen. Mit den erhaltenen Carbonfasern sollten Prüfkörper aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen auf der Basis von Epoxidharz hergestellt werden.
Ergebnisse
Verschiedene Acrylnitrilcopolymerisate wurden gezielt durch redox-initierte Suspensionspolymerisation synthetisiert. Als Comonomere kamen unterschiedliche COOH-haltige Comonomere und Acrylsäurederivate zum Einsatz. Dabei wurden verschiedene Redox-Systeme als Katalysatoren für die Polymerisation erprobt. Die Polymere lieferten in Dimethylsulfoxid (DMSO) sehr gute Spinnergebnisse mit Zugfestigkeiten im Bereich von 57-60 cNtex-1 in der Faser. In der Röntgenstrukturanalyse zeigten die Filamente einen hohen Orientierungsfaktor fc von 0,837. An den Precursorkabeln mit 1767 Einzelfilamenten wurden Carbonisierungversuche durchgeführt und schließlich aus den Carbonfasern Epoxidharzverbunde hergestellt und im Zugversuch nach DIN EN 527 geprüft. Drei verschiedene in DMSO versponnene Precursorfilamenttypen mit unterschiedlicher Zusammensetzung stehen nun in Schwarza als Versuchsmuster für die Herstellung von Carbonfasern zur Verfügung. Die gesamte Wertschöpfungskette der Carbonfaserherstellung, von der kontinuierlichen Polymerisation über die Spinntechnologie nach dem DMSO-Verfahren bis zur Carbonisierung auf einer eigenen C-Faser-Anlage wurde in Schwarza in im Pilotanlagenmaßstab vervollständigt. Damit ist das TITK in der Lage, für Industriepartner gezielt Precursormaterialien herzustellen bzw. weiter zu entwickeln und diese zu carbononisieren.
Anwendung
Die hergestellten Precursor- und Carbonfasertypen wurden vor allem für die Herstellung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt. Des Weiteren richten wir uns mit den Precursortypen und ihren Präparationsverfahren an Polyacrylnitrilhersteller, die ihre Aktivitäten auf dem Gebiet der Carbonsfaserherstellung erweitern wollen.