Erspinnen von Hybrigarnen aus Kohlenstoff-Kurzfasern für Verbundwerkstoffe

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Wegen der einzigartigen Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit und Steifigkeit, steigt die Nachfrage nach Kohlenstofffasern (CF) stetig an. Daraus ergibt sich aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen gleichzeitig auch die Notwendigkeit, Lösungen für das Recycling dieser Fasern zu entwickeln. Faserabfälle fallen in allen Verarbeitungsstufen bis hin zum Endprodukt an. Mit der aktuell laufenden Entwicklung innovativer Recycling-Technologien ist heute bereits die Rückgewinnung von CF aus Verbundwerkstoffen möglich. Ein nicht unerheblicher Anteil von CF liegt darüber hinaus in Form von Prozessabfällen vor. Derzeit werden diese Abfälle hauptsächlich als kurze oder gemahlene Fasern in Anwendungen eingesetzt, die das ursprüngliche Leistungspotenzial der Fasern nicht mehr nutzen. Deshalb besteht die Notwendigkeit, Materialien auf der Grundlage von CF-Recyclingmaterial zu entwickeln, die eine erhebliche Leistungssteigerung bis nahe an das Ausgangspotenzial bieten. Die naheliegende, aber auch technisch anspruchsvollste Lösung liegt in der Erarbeitung der Grundlagen zur Verständnis des Garnbildungsprozesses und Aufzeigen der Leistungsgrenze zur Herstellung von Hochleistungsgarnen aus Kurzfasern. Damit bestünde die überaus interessante Möglichkeit, CF-Recyclingmaterial wieder in hochbelasteten Verstärkungsstrukturen einzusetzen. Der hier vorgeschlagene Forschungsansatz der Herstellung von Stapelfasergarnen aus kurzen CF unter Beimischung kurzer thermoplastischer Fasern ist neu und bisher kaum betrachtet worden. Bedingt durch die speziellen Eigenschaften der CF weisen diese ein von herkömmlichen Faserstoffen deutlich abweichendes Verarbeitungsverhalten auf, das bisher nicht wissenschaftlich durchdrungen ist. Insbesondere die hohe Querkraftempfindlichkeit und die fehlende Kräuselung der CF stehen konträr zu den typischen Belastungsfällen in der Spinnerei. Als weiterer kritischer Parameter ist die breite Verteilung der Faserlängen zu sehen, die aus den Verarbeitungsschritten der Originalfaser resultiert. Es besteht daher die Notwendigkeit, forschungsseitig Grundlagen für ein verbessertes Verständnis der Zusammenhänge und des Materialverhaltens bei der Verspinnung von CF zu legen. Dies betrifft insbesondere die Faser-Faser-Haftung, die Interaktion der Prozessparameter mit den Fasern und den Einfluss von Materialmischungen. Die theoretische und experimentellen Untersuchungen im Rahmen dieses Vorhabens dienen zur Ermittlung dieser Zusammenhänge entlang der Prozessstufen in der Spinnerei (Faserbandbildung, Verstreckung, Vorgarnherstellung und Verspinnung) sowie der Garneigenschaften, die die Basis für die Aufstellung eines mathematischen Modell darstellt. Die Forschungsarbeit zielt auf die Erarbeitung der Grundlage und Materialverständnis für die Entwicklung neuartiger Garnstrukturen aus recycelten CF, die im Verbund mindestens 80% der mechanischen Eigenschaften (E-Modul und Festigkeit) der Ausgangsfilamente aufweisen.