Basisuntersu­chungen zu Stäben aus rezyclierten Carbonfasern

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Projektdaten
      2. Bericht aus dem Jahrbuch 2023
      3. Bericht aus dem Jahrbuch 2022

Projektdaten

Titel | Title TP Bewehrungsentwicklung und Charakterisierung stabförmiger Halbzeuge im Verbundvorhaben EDISON-rCF: Energieeffizienter und werkstoffgerechter Recyclingprozess von carbonfaserverstärkten Kunststoffen von der Wertstoffaufbereitung bis hin zum neuen Bauteil unter Anwendung eines innovativen Solvolyseprozesses sowie der Entwicklung und Herstellung neuartiger standardisierter quasi-unidirektionaler Halbzeuge | Subproject Reinforcement development and characterization of bar-shaped semi-finished products in the joint project EDISON-rCF: Energy-efficient and material-appropriate recycling process of carbon fiber-reinforced plastics from the preparation of recyclables to the new component using an innovative solvolysis process and the development and production of novel standardized quasi-unidirectional semi-finished products Förderer | Funding Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) Zeitraum | Period 01/2021 – 04/2024 Teilprojektleiter | Subproject leader Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx Bearbeiter | Contributor Dipl.-Ing. Enrico Baumgärtel Projektpartner | Project partners Zeisberg Carbon GmbH, Hannover | DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Braunschweig | Institut für Aufbereitungsmaschinen, TU Bergakademie Freiberg Assoziierte Partner | Associated partners Extrathive SAS, Sorgues (FRA) | Fraunhofer IGCV, Augsburg | Veolia Umweltservice GmbH, Aubervilliers (FRA)

Bericht aus dem Jahrbuch 2023

Vom rezyklierten Filament zum Carbonfaserstab

Im Projekt EDISON-rCF werden Halbzeuge, also Stäbe und Gelege, aus rezyklierten Carbonfasern umfassend hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Verbundverhalten und Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Vor allem werden die Faserorientierung, der Faservolumengehalt, die Faserlänge und das Tränkungsmaterial als wesentliche Faktoren für das Tragverhalten angesehen.

Um den Einfluss des Recyclingprozesses (Pyrolyse oder Solvolyse) auf die Materialeigenschaften der Carbonfilamente zu untersuchen, wurden neuwertige Fasern ebenfalls der Pyrolyse und Solvolyse unterzogen. Im Anschluss wurden die Zugfestigkeiten der neuwertigen, der pyrolysierten und der solvolysierten Fasern bestimmt. Verglichen mit den neuwertigen Fasern wurde ein Zugfestigkeitsverlust von rund 10 % bei den rezyklierten Fasern festgestellt.

Anschließend wurden Garne aus rezyklierten Fasern gefertigt. Zur Herstellung des Verbunds innerhalb eines Rovings wurden zwei Tränkungen, basierend auf einem Thermoplast bzw. einem Duromer, verwendet. Alle im Zugversuch untersuchten Garne versagten an der Stelle mit dem geringsten Querschnitt und innerhalb der freien Messlänge. Die Zugfestigkeiten der Rovings aus rezyklierten Fasern waren unabhängig vom Tränkungsmaterial deutlich geringer als die von Rovings aus neuwertigen Fasern. Eine Optimierung des Herstellungsverfahren ist folglich essentiell.

Für die Bestimmung der Zugfestigkeit von Stäben aus rezyklierten Carbonfasern mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 1,20 m wurden diese in dafür hergestellte Lasteinleitungsplatten eingeklemmt und bis zum Versagen belastet. Insgesamt wurden zwei Serien à fünf Stäbe untersucht. Für die Messung der Stabdehnung wurden induktive Wegaufnehmer und Photogrammmetrie eingesetzt. Durch die Weiterentwicklung des Stabzusammensetzung von Serie 1 zu Serie 2 hinsichtlich Faserorientierung und Faservolumengehalt konnte eine Steigerung der Zugfestigkeit erreicht werden. Die Zugfestigkeit der Stäbe der 2. Serie betrug rund 25 % der Zugfestigkeit von Stäben aus neuen Carbonfasern.

Bericht aus dem Jahrbuch 2022

Bewehrungen aus rezyklierten Carbonfasern

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Projekt EDISON-rCF untersucht den Recyclingprozess von carbonfaserverstärkten Kunststoffen von der Wertstoffaufbereitung bis hin zum neuen Bauteil. Die in diesem Projekt erzeugten Halbzeuge, also Gelege und Stäbe, aus rezyklierten Carbonfasern werden umfassend hinsichtlich der maßgebenden Eigenschaften Verbundverhalten, Zugfestigkeit, Dauerhaftigkeit und Verhalten bei unterschiedlicher Temperatur untersucht.

Zu Beginn wurden in einem Arbeitspapier die Anforderungen an die herzustellenden Halbzeuge zusammengestellt. Insbesondere die Faserlänge und die Faserorientierung in den Bewehrungen werden als wichtige Eigenschaften für das Tragverhalten angesehen.

Essentiell für die Stab- und Gelegeherstellung ist außerdem die Tränkung der Carbonfasern. Um eine erste Aussage über ein geeignetes Tränkungsmittel treffen zu können, wurden Carbongarne aus rezyklierten Fasern mit Polymer, Duromer und Geopolymer getränkt. Anschließend wurde das Zugtragverhalten untersucht. Das mit Epoxidharz getränkte Garn setzte sich aufgrund der höchsten Zugfestigkeit und der höchsten Steifigkeit durch. Alle Garne versagten an der Stelle mit dem geringsten Querschnitt und ohne Vorankündigung. Mittels des Dünnschliffverfahrens konnte zudem eine Aussage über die Tränkungsqualität getroffen werden.

Die von einem Projektpartner aus rezyklierten Carbonfasern gefertigten profilierten Carbonstäbe besaßen einen äußeren Durchmesser von 10 mm und eine dem aktuellen Herstellungsprozess geschuldete, noch relativ geringe Länge von 60 cm. Die Stäbe wurden in 20 × 20 × 20 cm große Betonwürfel mit einer 5 cm langen Verbundlänge einbetoniert. Um eine Aussage über das Verbundverhalten der Stäbe treffen zu können, wurden sie in einem Pull-out-Versuch bis zum Versagen belastet. Alle untersuchten Stäbe versagten vor dem Eintritt eines Auszugs. Deshalb soll im weiteren Projektverlauf die Steigerung des inneren Verbundes des Stabs vorangebracht werden.