Ermittlung der Prozessparameter zur kontinuierlichen Herstellung von Polyolefin-basierten Carbonfasern
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Beschreibung
In dieser Dissertationsarbeit werden die Prozesse der Sulfonierung und Car-bonisierung analysiert und beschrieben sowie Polyethylen-basierte Carbonfasern hergestellt. Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung von Prozessparameter für eine kontinuierliche Polyethylen-basierte Carbonfaserherstellung. Hierzu werden Wirkzusammenhänge zwischen Fasereigenschaften und Prozessparametern in den Prozessen der Sulfonierung und Carbonisierung identifiziert. Basierend auf den generierten Erkenntnissen können für die Sulfonierung optimale Eigenschaften für einen Polyethylen-Precursor sowie für die Erreichung der Carbonfaser-Zieleigenschaften (Festigkeit: 1.730 - 2.800 MPa, E-Modul: 155 - 190 GPa) optimale Parameter für den Herstellungsprozess definiert werden. Die erreichten Eigenschaften der Carbonfasern liegen im Bereich der geforderten Zieleigenschaften. Zusammenfassend wird festgehalten, dass Polyethylen als Precursormaterial eine kostengünstige Alternative zu Polyacrylnitril zur Herstellung von Carbonfasern darstellt und ein kontinuierlicher Herstellungsprozess mittels Sulfonierung erfolgen kann.
Die Ausgangslage dieser Dissertation wird durch den Bedarf der Automobilindustrie und der Windkraftindustrie nach kostengünstigen Carbonfasern mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften hergeleitet. Hierbei wird ein Kostenzielbereich von 5 bis 12 €/kg festgelegt. Die mechanischen Mindestanforderungen an die Low-Cost-Carbonfasern werden über die Herleitung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zu GFK definiert.
Zur Erreichung dieser Ziele stellt die PE-basierte Carbonfaserherstellung die vielversprechendste Alternative hinsichtlich der Kosten und erreichbaren mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum PAN-basierten Prozess dar. Zur Zielsetzung dieser Arbeit wird der Stand der Forschung kurz dargestellt und Defizite aus diesem abgeleitet. Dabei wird gezeigt, dass das Hauptdefizit in einer fehlenden Anlagentechnik zur kontinuierlichen Sulfonierung von PE-Precursoren besteht.
Ziel dieser Arbeit ist daher ein kontinuierlicher Prozess zur Herstellung leistungsfähiger und kostengünstiger PE-basierter Carbonfasern. Zur Ermittlung der Prozessparameter für eine kontinuierliche Sulfonierung und anschließende Carbonisierung werden die Wirkzusammenhänge in den Prozessen der Sulfonierung und Carbonisierung sowie Zielkorridore bzw. Benchmarks für die Eigenschaften der Zwischenprodukte bestimmt. Basierend auf diesen Untersuchungen wird eine Sulfonierungsanlage entwickelt und aufgebaut.
Mit Hilfe des aufgestellten Prozesses zur PE-basierten Carbonfaserherstellung werden Carbonfasern mit einer Festigkeit von 1,92 GPa und einem E-Modul von 178 GPa hergestellt.
Parallel zur Prozessentwicklung findet eine Prozessmodellierung und Prozesskostenrechnung statt. Dabei beruhen die Erkenntnisse zum Prozessaufbau auf Zahlen und Daten, welche in den Experimenten in dieser Arbeit generiert wurden.
Als Ergebnis dieser Dissertation stehen die notwendigen Parameter zur Verfügung, um kostengünstige PE-basierte Carbonfasern in einem kontinuierlichen Prozess herzustellen. Die Arbeit stellt somit einen zentralen Schritt in Richtung effizienterer Werkstoffe und Ausschöpfung der Kosten- und Gewichtseinsparungspotentiale dar.
Autor*in
Andreas De Palmenaer
Themen in »Ermittlung der Prozessparameter zur kontinuierlichen Herstellung von Polyolefin-basierten Carbonfasern«
Carbonfaser Polyethylen Polyolefine