Aus der Branche

• Kohlenstoff mit mehreren Leben

Geht es um die Zukunft der motorisierten Mobilität, reden alle vom Antrieb: Wie viel E-Auto, wie viel Verbrenner verträgt die Umwelt und braucht der Mensch? Zugleich stellen neue Antriebe erhöhte Anforderungen nicht nur an den Motor, sondern auch an dessen Gehäuse und die Karosse: Für solch anspruchsvolle Anwendungen kommen häufig Carbonfasern zum Einsatz. Wie der Antrieb der Zukunft, sollten auch die Werkstoffe am Fahrzeug umweltfreundlich sein. Deshalb ist Recycling von Carbonfasern gefragt. Lösungen dafür haben Institute der Zuse-Gemeinschaft entwickelt.

Carbonfasern, auch als Kohlenstofffasern oder verkürzt als Kohlefasern bekannt, bestehen fast vollständig aus reinem Kohlenstoff. Sehr energieaufwändig wird er bei 1.300 Grad Celsius aus dem Kunststoff Polyacrylnitril gewonnen. Die Vorteile der Carbonfasern: Sie haben kaum Eigengewicht, sind enorm bruchfest und stabil. Solche Eigenschaften benötigt man z.B. am Batteriekasten von E-Mobilen oder in Strukturbauteilen der Karosserie. So arbeitet das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) aktuell gemeinsam mit Industriepartnern daran, statisch-mechanische Stärken der Carbonfasern mit Eigenschaften zur Schwingungsdämpfung zu verknüpfen, um die Gehäuse von E-Motoren im Auto zu verbessern. Angedacht ist in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt die Entwicklung sogenannter Hybridvliesstoffe, die neben der Carbonfaser als Verstärkung weitere Faserstoffe enthalten. „Wir wollen, die Vorteile unterschiedlicher Faserstoffe verbinden und so ein optimal auf die Anforderungen abgestimmtes Produkt entwickeln“, erläutert Marcel Hofmann, STFI-Abteilungsleiter Textiler Leichtbau.

Damit würden die Chemnitzer Forschenden bisherige Vliesstoff-Lösungen ergänzen. Sie blicken auf eine 15-jährige Geschichte in der Arbeit mit recycelten Carbonfasern zurück. Der globale Jahresbedarf der hochwertigen Fasern hat sich im vergangenen Jahrzehnt fast vervierfacht, laut Angaben der Industrievereinigung AVK auf zuletzt rd. 142.000 t. „Die steigende Nachfrage hat das Recycling immer stärker in den Fokus gerückt“, betont Hofmann. Carbonfaserabfälle sind ihm zufolge für etwa ein Zehntel bis ein Fünftel des Preises von Primärfasern erhältlich, müssen aber noch aufbereitet werden. Dreh- und Angelpunkt für den Forschungserfolg der recycelten Fasern sind konkurrenzfähige Anwendungen. Die hat das STFI nicht nur am Auto, sondern auch im Sport-Freizeitsektor sowie in der Medizintechnik gefunden, so in Komponenten für Computertomographen. "Während Metalle oder Glasfasern als potenzielle Konkurrenzprodukte Schatten werfen, stört Carbon die Bilddarstellung nicht und kann seine Vorteile voll ausspielen“, erläutert Hofmann.

Papier-Knowhow nutzen
Können recycelte Carbonfasern nochmals den Produktkreislauf durchlaufen, verbessert das ihre CO2-Bilanz deutlich. Zugleich gilt: Je kürzer die Carbonfasern, desto unattraktiver sind sie für die weitere Verwertung. Vor diesem Hintergrund entwickelten das Forschungsinstitut Cetex und die Papiertechnische Stiftung (PTS), beide Mitglieder der Zuse-Gemeinschaft, im Rahmen eines Forschungsvorhabens ein neues Verfahren, das bislang wenig geeignet erscheinende Recycling-Carbonfasern ein zweites Produktleben gibt. „Während klassische Textilverfahren die ohnehin sehr spröden Recycling-Carbonfasern in Faserlängen von mind. 80 mm trocken verarbeiten, beschäftigten wir uns mit einem Verfahren aus der Papierindustrie, welches die Materialien nass verarbeitet. Am Ende des Prozesses erhielten wir, stark vereinfacht gesprochen, eine flächige Matte aus recycelten Carbonfasern und Kunststofffasern“, erläutert Cetex-Projektingenieur Johannes Tietze das Verfahren, mit dem auch 40 mm kurze Carbonfasern zu attraktiven Zwischenprodukten recycelt werden können. Das danach in einem Heißpressprozess entstandene Erzeugnis dient als Grundmaterial für hochbelastbare Strukturbauteile. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge durch die Kombination mit endlosfaserverstärkten Tapes verbessert. Das Recyclingprodukt soll, so die Erwartung der Forschenden, glasfaserverstärkten Kunststoffen, Konkurrenz machen, z.B. bei Anwendungen im Schienen- und Fahrzeugbau. Die Ergebnisse fließen nun in weiterführende Forschung und Entwicklung im Kooperationsnetzwerk Ressourcetex ein, einem geförderten Verbund von 18 Partnern aus Industrie und Wissenschaft.

Erfolgreiche Umsetzung in der Autoindustrie
Industriereife Lösungen für die Verwertung von Carbonfaser-Produktionsabfällen werden im Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt (TITK) entwickelt. Mehrere dieser Entwicklungen wurden mit Partnern beim Unternehmen SGL Composites in Wackersdorf industriell umgesetzt. Die Aufbereitung der so genannten trockenen Abfälle, hauptsächlich aus Verschnittresten, erfolgt nach einem eigenen Verfahren. „Dabei führen wir die geöffneten Fasern verschiedenen Prozessen zur Vliesherstellung zu“, sagt die zuständige Abteilungsleiterin im TITK, Dr. Renate Lützkendorf. Neben den Entwicklungen für den Einsatz z.B. im BMW i3 in Dach oder Hintersitzschale wurden im TITK spezielle Vliesstoffe und Verfahren für die Herstellung von Sheet Molding Compounds (SMC) etabliert, das sind duroplastische Werkstoffe, die aus Reaktionsharzen und Verstärkungsfasern bestehen und zum Pressen von Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet werden. Eingang fand dies z.B. in einem Bauteil für die C-Säule des 7er BMW. „In seinen Projekten setzt das TITK vor allem auf die Entwicklung leistungsfähigerer Prozesse und kombinierter Verfahren, um den Carbonfaser-Recyclingmaterialien auch von den Kosten her bessere Chancen in Leichtbauanwendungen einzuräumen“, betont Lützkendorf. So liege der Fokus gegenwärtig auf dem Einsatz von CF-Recyclingfasern in thermoplastischen Prozessen zur Platten- und Profilextrusion. „Ziel ist es, die Kombination von Kurz- und Endlosfaserverstärkung in einem einzigen, leistungsfähigen Prozess-Schritt zu realisieren.“

Am 15. Juli 2020 ist das U.S. Cotton Trust Protocol in Kraft getreten. Der neue Dokumentationsprozess unterstützt die Nachverfolgbarkeit und Auswertung von Daten im Herstellprozess von U.S.-amerikanischer Baumwolle. Textilhersteller und Handel können dem U.S. Cotton Trust Protocol beitreten, einem neuen System für verantwortungsvoll angebaute Baumwolle, das in Übereinstimmung mit den UN-Nachhaltigkeitszielen Jahresvergleichsdaten in sechs Nachhaltigkeitskategorien liefert. Die neuartige Erhebung der Jahresvergleichsdaten ermöglicht Textilproduzenten und Handel, ihren Fortschritt in der Umsetzung der eigenen Nachhaltigkeitsverpflichtungen besser messbar zu machen.

Das U.S. Cotton Trust Protocol wurde speziell für das besondere Umfeld der Baumwoll-Massenproduktion in den Vereinigten Staaten konzipiert. Dabei soll es andere Nachhaltigkeits-Initiativen nicht ersetzen, sondern ergänzen.

Die neue Baumwoll-Dokumentation fördert und verifiziert die Fortschritte im Bereich Nachhaltigkeit durch sorgfältige Datenerfassung über die komplette Lieferkette – von den Anbaudaten bis in den Handel – und organisiert deren Validierung durch unabhängige Sachverständige. U.S. Cotton Trust Protocol setzt dabei auf die Zusammenarbeit mit den Organisationen „Field to Market, The Alliance for Sustainable Agriculture“ und „Control Union Certifications North America“. Textilindustrie und Handel erhalten auf diese Weise nachverfolgbare Herkunftsdaten für die Baumwollprodukte ihrer Lieferketten. Mitglieder der Initiative haben Zugriff auf die aggregierten Jahresvergleichsdaten zu Wassereinsatz, Treibhausgas-Emissionen, Energieverbrauch, Kohlenstoffgehalt der Böden und Landnutzungseffizienz.

Im vergangenen Monat wurde U.S. Cotton Trust Protocol durch die gemeinnützige Organisation „Textile Exchange“ in die Liste der 36 bevorzugten Fasern und Materialien aufgenommen, an der mehr als 170 teilnehmende Textilproduzenten und Händler im Rahmen des Material Change Index-Programms ihre Einkaufsstrategien ausrichten.

• Fluorkohlenstoffverbindungen gefährden Umwelt und Gesundheit – Forderung nach transparenten Lieferketten

Gut gerüstet gegen Regen, Wind und Schnee? Für Aktivitäten an der frischen Luft wird zunehmend Funktionskleidung gekauft. Atmungsaktiv, wasserdicht, öl- und schmutzabweisend soll sie sein: Eigenschaften, für die Chemikalien eingesetzt werden. Doch wie gefährlich das Herstellen der Beschichtungen für Gesundheit und Umwelt ist, war bisher nicht ausreichend erforscht. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) fachlich und finanziell mit knapp 290.000 Euro geförderten Projekt wurden ausgewählte fluorkohlenstoffhaltige Chemikalien sowie fluorfreie Alternativen ökotoxikologisch untersucht. Fazit: „Auf ölabweisende Beschichtungen sollte im alltäglichen Gebrauch besser verzichtet werden“, fasst Alexander Bonde, DBU-Generalsekretär, zusammen. Projektergebnisse und Abschlussveranstaltung mit Vertretern von Hochschulen, Umweltbundesamt und Outdoorunternehmen ergaben, dass der Nutzen das hohe Gesundheits- und Umweltrisiko bei der Herstellung nicht rechtfertigen würde. Verbraucher sollten auf hochwertige im Markt erhältliche Alternativen achten.

Für risikoarme Herstellung hoher Standard erforderlich
„Das Herstellen des Materials ist häufig eine erhebliche Gefahr für Mensch und Umwelt, wenn keine hohen Standards in der Arbeitssicherheit, gut ausgerüstete Produktionsstätten, kein geschultes Personal und kein gutes Abfall- und Abwassermanagement damit einhergehen“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Stefan Stolte von der Technischen Universität Dresden, Institut für Wasserchemie. Bei vielen Produktionsstätten beispielsweise in Asien sei dies derzeit jedoch der Fall. „Im Labor haben wir unter kontrollierten Bedingungen nachgewiesen, dass krebserregende, giftige oder gesundheitsschädliche Verbindungen zur Herstellung der Textilien verwendet werden“, so Stolte. Ohne kontrollierte Umweltstandards bei der Produktion würden die Chemikalien über das Abwasser ungehindert in die Gewässer gelangen. „Die Nutzung problematischer Chemikalien bei der Produktion bedeutet aber nicht, dass diese auch in den Textilien zu finden sind“ stellt Stolte heraus.

Umwelt- und Gesundheitsgefahren durch Fluorkohlenstoffverbindungen
Dr. Max Hempel, DBU-Fachreferent für Umweltchemie: „Vor allem PFC, also per- und polyfluorierte Chemikalien, bleiben sehr lange in der Umwelt, reichern sich in Organismen an, sind gesundheitsgefährdend und können die Fortpflanzung beeinträchtigen.“ Langkettige PFC mit mehr als acht Kohlenstoffatomen seien 2016 deshalb von der Europäischen Union (EU) als Substanzen mit besonders Besorgnis erregenden Eigenschaften eingestuft und für viele Anwendungen verboten worden. „Bisher wurden kurzkettige PFC als Alternativen für die langkettigen angesehen“, erläutert der Projektleiter, der zu Projektbeginn an der Universität Bremen, Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien, lehrte. „Hierfür fehlte den Unternehmen allerdings die chemische und ökotoxikologische Expertise.“ Im jetzt abgeschlossenen Projekt seien Wissenslücken geschlossen worden.

Im Alltag reichen atmungsaktive und wasserabweisende Funktionen
Dr. Jürgen Arning vom Umweltbundesamt in Dessau, das das Projekt begleitet hat: „Die Nutzung von kurzkettigen PFC birgt neue Gefahren, weil diese viel mobiler in der Umwelt sind.“ Solange es keine Alternative zu den Chemikalien gebe, sollte die Nutzung auf das unbedingt erforderliche Maß reduziert werden. „Bei persönlicher Schutzkleidung wie im Krankenhaus oder bei der Feuerwehr macht der Einsatz von öl- und schmutzabweisenden Materialien Sinn“, so der Wissenschaftler. Aber im normalen Alltag und bei der Freizeitgestaltung würden atmungsaktive und wasserabweisende Funktionen reichen, die auch ohne fluorhaltige Chemikalien erzielt werden könnten und im Markt auch angeboten würden. Der Bundesverband der Deutschen Sportartikel-Industrie (BSI, Bonn), Kooperationspartner des Projekts, und viele mittelständische Outdoor-Unternehmen seien aufgrund der Umwelt- und Gesundheitsgefahren bestrebt, alternative Textilveredelungschemikalien mit vergleichbarer Funktionalität zu ermitteln. Die Forscher hatten kurzkettige PFC, die auch öl- und schmutzabweisend sind, sowie PFC-freie Substanzen, die nur wasserabweisende Eigenschaften haben, untersucht. Beides wird derzeit von Outdoor-Herstellern für die Beschichtung von beispielsweise Jacken, Hosen und Zelten eingesetzt.

Gesetzliche Standards kontrollieren und Lieferketten transparent machen
„Die Outdoorbranche lebt davon, dass Freizeitaktivitäten als gesundheitsförderlich empfunden werden. Das Bewusstsein für Umwelt und Gesundheit ist bei vielen dieser Unternehmen ausgeprägter als in anderen Branchen“, so Hempel. Kunden könnten und sollten beim Kauf von Outdoortextilien auf die Inhaltsstoffe achten oder im Geschäft nachfragen. Kritisch sehen die Projektbeteiligten derzeit allerdings die Deklaration der Inhaltsstoffe. Hempel: „In den untersuchten Proben wurden Gefahrstoffe nachgewiesen, die teilweise nicht im Sicherheitsdatenblatt der Hersteller aufgeführt wurden.“ Gesetzliche Standards gebe es bereits, doch die Kontrolle müsse noch verbessert werden. Für transparente Lieferketten müsse ebenso gesorgt werden.

Den Abschlussbericht finden Sie hier zum Download.