NREL-Forscher stellen aus Pflanzen gewonnenes Epoxid her, das recycelbare Kohlenstofffasern ermöglicht.
Zehnmal stärker als Stahl, fast halb so schwer wie Aluminium, weitaus steifer als Glasfaser – Kohlefaser bietet eine Reihe von Vorteilen, die es zu einem bevorzugten Material für den Einsatz in Luxuslimousinen und Formel-1-Rennwagen gleichermaßen machen.
Laut Nicholas Rorrer, Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL), muss es jedoch noch perfektioniert werden, um für Massenmarktfahrzeuge wirtschaftlich zu werden. „Kohlefaser ist teuer“, erklärte er. „Es ist auch energieintensiv in der Herstellung, also ist es nicht gerade treibhausgasfreundlich (GHG). Kohlefaser leicht recycelbar zu machen, könnte in beiden Hinsichten helfen.“
Dank der jüngsten Fortschritte im biobasierten Materialdesign könnte das Recycling von Kohlenstofffasern im industriellen Maßstab bereits zum Greifen nah sein.
Durch ein Projekt, das vom Vehicle Technologies Office des US-Energieministeriums im Rahmen des Composites Core Program unterstützt wird, haben Rorrer und andere NREL-Forscher gezeigt, dass die Herstellung von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen mit biobasierten Epoxiden und einem Anhydridhärter das Material vollständig recycelbar macht, indem Verbindungen eingeführt werden, die dies ermöglichen werden leichter abgebaut. Tatsächlich kann der Recyclingprozess – Methanolyse genannt – selektiv bei Raumtemperatur ausgelöst werden, ohne dass die Qualität oder Orientierung der Fasern beeinträchtigt wird. Dies könnte einen starken Schritt in Richtung eines zirkulären Materials darstellen, das Kohlefaser billiger und umweltfreundlicher machen kann, wenn es über mehrere Leben hinweg verwendet wird.
Kohlefaser unter die Lupe genommen
Gleichzeitig stark und federleicht, ergeben sich die Vorteile der Kohlefaser aus ihrem mehrschichtigen Design. Es ist ein Verbundmaterial aus langen Filamenten aus reinem Kohlenstoff und einer klebstoffartigen Epoxidbeschichtung, die als „Duroplast“ bekannt ist. Beim Aushärten verbinden sich Moleküle im flüssigen Harz miteinander und um die gewebten Kohlenstofffilamente herum und härten zu einem starken und starren Gitter aus.
Wenn es mit einer Form hergestellt wird, kann das Material eine Reihe von Formen für eine Vielzahl von Anwendungen annehmen, von Autostoßstangen bis hin zu Windturbinenblättern und mehr.
Die duroplastische Natur des gehärteten Epoxids macht es jedoch schwierig, diese überlegenen Produkte auseinander zu brechen, insbesondere ohne die Kohlenstofffilamente ernsthaft zu beschädigen. Produkte aus Kohlefaser landen – trotz ihres hohen Preises – am Ende ihres Lebens oft auf der Deponie, zusammen mit allen Effizienzvorteilen, die sie möglicherweise verdient haben.
Obwohl Kohlefaser das Gewicht eines typischen Personenkraftwagens halbieren und seine Kraftstoffeffizienz um bis zu 35 % steigern könnte, werden alle Effizienzvorteile durch die treibhausgasintensive Energie, die zu seiner Herstellung verwendet wird, effektiv ausgeglichen. Bei der Synthese von Kohlenstofffasern werden Temperaturen von über 1.000 °C benötigt.
Diese Realität brachte Rorrer zum Nachdenken: „Gibt es eine Möglichkeit, Kohlenstofffasern über mehrere Materialleben hinweg wiederzuverwenden, um diese Faser zurückzugewinnen und mehr Wert und Umweltvorteile zu erzielen?“
Epoxid durch Design recycelbar machen
Rorrer und seine Teamkollegen begannen, mit der Chemie von Biomasse zu experimentieren, um zu verstehen, ob sie ein neues Epoxid ermöglichen könnte, das auf Recyclingfähigkeit ausgelegt ist. Im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen in Erdöl enthält Biomasse einen höheren Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff, was andere chemische Möglichkeiten bietet.
„Wir haben die Epoxidaminharze – die heutigen Duroplaste in Kohlefaser – im Wesentlichen mit Epoxidharzen und Anhydriden umgestaltet, die aus Biomasse synthetisiert wurden, hauptsächlich aus der biologischen und chemischen Umwandlung von Zuckern“, erklärte Rorrer. „Wir haben gezeigt, dass dieses neu formulierte Harz die gleichen Eigenschaften wie die heutigen Epoxy-Amin-Harze beibehalten und/oder übertreffen kann, sie aber auch durch Design recycelbar macht – und das bei Raumtemperatur.“
Mithilfe eines speziellen Katalysators konnte das NREL-Team das biobasierte Harz bei Raumtemperatur abbauen, ein Prozess, der als „Depolymerisation“ bekannt ist. Dadurch konnten sie die Kohlenstofffilamente zurückgewinnen und gleichzeitig ihre Qualität und Ausrichtung beibehalten.
„Wir können die Faserqualität tatsächlich über mindestens drei Materiallebensdauern aufrechterhalten“, sagte Rorrer. „Wir können es also nicht nur recyceln; Wir können es ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften recyceln. Wir recyceln das Material überhaupt nicht.“
Kombiniert mit NRELs Forschung zu kostengünstiges, biobasiertes Acrylnitril als Kohlenstofffaservorläufer – das 2018 mit einem R&D 100 Award ausgezeichnet wurde – könnte der Durchbruch bei Epoxid wesentlich dazu beitragen, Kohlefaserverbundwerkstoffe kostengünstiger und umweltfreundlicher zu machen.
Die Möglichkeit, die Kohlefaser zu extrahieren und zu recyceln, könnte das Material für Elektrofahrzeuge auf dem Massenmarkt wirtschaftlicher machen und Gewicht und Platz für Batterien freimachen. Es würde auch den THG-Fußabdruck des Materials um 20 % bis 40 % verringern. Besser noch, es könnte all dies erreichen, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen, da Rorrer schätzt, dass das Epoxidharz von NREL ungefähr zum gleichen Preis wie die heutigen erdölbasierten Epoxid-Amin-Harze hergestellt werden könnte.
„Durch die Verwendung biobasierter Rohstoffe anstelle von petrochemischen Rohstoffen müssen wir keine zusätzliche Energie aufwenden, um ihre Chemie grundlegend umzurüsten“, fügte Rorrer hinzu. „Auf diese Weise können wir fortschrittliche Materialien mit Leistungs- und Umweltvorteilen präziser, kostengünstiger und effektiver entwickeln.“
Erfahren Sie mehr über NRELs Transport Dekarbonisierung Forschung.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien.
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