Das Potsdamer Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP entwickelt im Potsdam Science Park in Zusammenarbeit mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg biobasierte Carbonfasern für Hightech-Anwendungen. Wie das Institut am Freitag (18. Juli) mitteilte, eignen sich die auf Cellulose basierenden Fasern unter anderem für Wasserstofftanks, Batterien, Brennstoffzellen und zur Abschirmung sensibler Elektronik.
Die neuen Fasern sollen nach Angaben der Forscher die strukturelle Vielfalt herkömmlicher erdölbasierter Carbonfasern mit verbesserter Nachhaltigkeit verbinden. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekt erhält zusätzliche Unterstützung von der Wirtschaftsregion Lausitz GmbH.
Cellulose als nachwachsender Ausgangsstoff
Als Ausgangsmaterial dient Cellulose, die mittels etablierter Spinnverfahren zu endlosen Fasern versponnen wird. Durch die Zugabe von Additiven wie Lignin ist die Kohlenstoffausbeute bei der späteren Konvertierung zu Carbonfasern dabei von 15 auf 45 Gewichtsprozent steigerbar.
Frisch gesponnene Cellulosefaser mit gelapptem (lobuliertem) Querschnitt unter dem Rasterelektronenmikroskop (Kryo-Transfer REM). Die poröse Struktur verdichtet sich beim Trocknen der Faser, die Form bleibt bei der Carbonisierung erhalten (© Fraunhofer IAP)
Ein besonderer Vorteil der Cellulose-Basis: Die Faserstruktur lässt sich über Spinnverfahren und Prozessparameter gezielt steuern. So entstehen unterschiedliche Porositäten, Orientierungs- und Kristallinitätsgrade sowie verschiedene Querschnitte – rund, oval oder gelappt. Letztere bieten eine besonders hohe spezifische Oberfläche. Damit eignen sie sich für leitfähige und poröse Trägerstrukturen wie Gasdiffusionslagen in Brennstoffzellen.
Katalyse senkt Carbonisierungstemperatur
Nach dem Spinnprozess durchlaufen die cellulosischen Endlosfasern ein wässriges Bad mit funktionellen Zusätzen wie Katalysatoren und Additiven. Ein am Fraunhofer IAP entwickeltes System aus Katalysatoren und Additiven beschleunigt den Prozess und senkt zugleich die Carbonisierungstemperatur um mehr als 1.000 °C.
Durch optimierte Prozessparameter während der Carbonisierung können laut den Forschenden Faserdurchmesser von deutlich unter vier Mikrometern erreicht werden. Zum Vergleich: Marktübliche Fasern besitzen einen Durchmesser von sieben Mikrometern. Dies ist insbesondere für Brennstoffzellen-Anwendungen von Interesse.
„Unsere Carbonfasern verbinden technische Höchstleistung mit Nachhaltigkeit: Ihre mechanischen Eigenschaften erreichen das Niveau erdölbasierter High-Modulus-Carbonfasern aus PAN“, erklärte Dr. Jens Erdmann, Experte für biogene Carbonfasern am Fraunhofer IAP. „Zudem zeigen sie eine elektrische und thermische Performance, wie man sie von pechbasierten Fasern kennt.“
Skalierung über Carbon Lab Factory Lausitz
Die Pilotierung der Technologie soll über die Initiative „Carbon Lab Factory Lausitz“ erfolgen, die gemeinsam mit der auf Wasserstofftechnologie spezialisierten TU Chemnitz und dem Institut für Leichtbau und Wertschöpfungsmanagement der BTU Cottbus-Senftenberg entwickelt wurde. Das länderübergreifende Projekt zwischen Sachsen und Brandenburg zielt auf den Aufbau einer Forschungsinfrastruktur für die gesamte Carbonfaser-Wertschöpfungskette ab.
„Wir spüren deutlich, dass das Interesse an nachhaltigen Materialien stetig wächst“, so Erdmann weiter. „Doch ökologische Vorteile allein reichen nicht aus, um sich am Markt zu behaupten – auch die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit muss überzeugen.“
