Aus der Branche

Ein neuartiges, ebenso umweltfreundliches wie kostensparendes Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern aus Lignin ist an den DITF entwickelt worden. Es zeichnet sich durch hohes Energiesparpotential aus. Die Vermeidung von Lösungsmitteln und die Nutzung natürlicher Rohstoffe machen das Verfahren umweltfreundlich.

Carbonfasern werden im industriellen Maßstab gewöhnlich aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Die Stabilisierung und die Carbonisierung der Fasern geschieht dabei mit langer Verweildauer in hochtemperierten Öfen. Das erfordert viel Energie und macht die Fasern teuer. Dabei entstehen giftige Nebenprodukte, die aufwendig und energieintensiv aus dem Herstellungsprozess abgetrennt werden müssen.

Ein neuartiges, an den DITF entwickeltes Verfahren ermöglicht hohe Energieeinsparungen in all diesen Prozessschritten. Lignin ersetzt dabei das Polyacrylnitril für die Herstellung der Präkursorfasern, die in einem zweiten Prozessschritt zu Carbonfasern umgewandelt werden. Lignin als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Carbonfasern hat bisher kaum Beachtung in der industriellen Fertigung gefunden. Lignin ist ein günstiger und in großen Mengen verfügbarer Rohstoff, der als Abfallprodukt in der Papierproduktion anfällt.

Im neuen Verfahren zur Herstellung von Ligninfasern wird zuerst Holz in seine Bestandteile Lignin und Cellulose getrennt. Ein Sulfit-Aufschluss ermöglicht die Erzeugung von Lignosulfonat, das in Wasser gelöst wird. Die wässrige Lösung von Lignin ist das Ausgangsmaterial für das Spinnen der Fasern.
Der Spinnprozess selbst erfolgt im sogenannten Trockenspinnverfahren. Dabei presst ein Extruder die Spinnmasse durch eine Düse in einen beheizten Spinnschacht. Die entstehenden Endlosfasern trocknen im Spinnschacht schnell und gleichmäßig. Das Verfahren benötigt weder Lösungsmittel noch giftige Additiven.

Die anschließenden Schritte zur Herstellung von Carbonfasern - die Stabilisierung in Heißluft und die anschließende Carbonisierung im Hochtemperaturofen - ähneln denen des üblichen Prozesses bei Verwendung von PAN als Präkursorfaser. Allerdings lassen sich die Ligninfasern im Ofen besonders schnell mit Heißluft stabilisieren und benötigen nur relativ niedrige Temperaturen in der Carbonisierung. Die Energieersparnis in diesen Prozessschritten gegenüber PAN liegt bei rund 50% und bedeutet einen echten Wettbewerbsvorteil.

Aus Wasser gesponnene Ligninfasern bieten Vorteile
Neben der umweltfreundlichen, da lösemittelfreien Herstellung, und der Energieeffizienz bietet das neue Verfahren weitere Vorteile gegenüber PAN: Lignin ist ein überaus günstiger und leicht verfügbarer Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird. Die Verwendung eines natürlichen Rohstoffes für die Erzeugung von hochfesten Carbonfasern folgt dem Nachhaltigkeitsgedanken in der Produktion.

Der Trockenspinnprozess erlaubt hohe Spinngeschwindigkeiten. Hierdurch wird in kürzerer Zeit deutlich mehr Material produziert, als es mit PAN-Fasern möglich ist. Das ist ein weiterer Wettbewerbsvorteil, der dennoch keine Kompromisse an die Qualität der Lignin-Präkursorfasern zulässt: Diese sind äußerst homogen, haben glatte Oberflächen und keine Verklebungen. Solche strukturellen Merkmale erleichtern die Weiterverarbeitung zu Carbonfasern und letztlich auch zu Faserverbundwerkstoffen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dem neuen Spinnverfahren gewonnenen Präkursorfasern aus Lignin gegenüber PAN deutliche Vorteile in der Kosteneffizienz und in ihrer Umweltverträglichkeit zeigen. Die mechanischen Eigenschaften der aus ihnen hergestellten Carbonfasern sind hingegen nahezu vergleichbar – sie sind ebenso zugfest, widerstandsfähig und leicht, wie es von marktgängigen Produkten bekannt ist.

Besonders interessant dürften Carbonfasern aus Wasser gesponnenen Ligninfasern für Anwendungen in der Bau- und Automobilbranche sein, die von Kostensenkungen im Produktionsprozess in hohem Maße profitieren.

Mit dem Ziel, das Recycling von leichten, sehr voluminösen Rezyklat-Fasern und -Flakes deutlich wirtschaftlicher und in manchen Fällen überhaupt erst möglich zu machen, hat Coperion eine neue Ausführung seiner Seitendosierung ZS-B entwickelt. Mit dieser innovativen ZS-B MEGAfeed kann Kunststoff-Rezyklat mit einer Schüttdichte unter 200 kg/m³, das bislang als einzugsbegrenzt und daher als nicht wirtschaftlich recyclebar galt, in großen Mengen zuverlässig in den ZSK Doppelschneckenextruder von Coperion eingebracht und dort mit hohen Durchsätzen rezykliert und gleichzeitig compoundiert werden.

Verantwortlich dafür ist die neuartige Konstruktion der Seitendosierung ZS-B. Sie ermöglicht sehr hohe Dosierraten von Fasern und Flakes aus unterschiedlichsten Kunststoffen (z.B. PA, PE, PET, PP). Die hohe Leistungsfähigkeit des ZSK Doppelschneckenextruders kann mit der ZS-B MEGAfeed voll ausgeschöpft werden. Es werden sehr hohe Durchsätze sowohl beim mechanischen als auch chemischen Recycling von Post-Industrial- und Post-Consumer Waste erzielt.

Durchsatzsteigerung in Zahlen
Mit einem ZSK 58 Mc18 Doppelschneckenextruder wird die Durchsatzsteigerung und damit das Potential der neuen ZS-B MEGAfeed sehr deutlich. Beim Recycling von PA-Fasern mit einer Schüttdichte von ~40-50 kg/m3 wurden bislang mit herkömmlichem Equipment Durchsätze von 70 kg/h erzielt. Wurden die PA-Fasern über die ZS-B MEGAfeed in den ZSK Extruder eingebracht, stiegen die Durchsätze um das 14fache auf 1.000 kg/h an. Ähnlich verhält es beim Recycling von Carbon-Fasern mit einer Schüttdichte von ~50-70 kg/m3. Dort stiegen die Durchsätze mit der ZS-B MEGAfeed von 50 kg/h auf 2.500 kg/h. Beim Recycling von PCR (Post Consumer Recycled)-Flakes wurden Durchsatzsteigerungen von 50 kg/h auf 700 kg/h erzielt, beim Recycling von Flakes aus Mehrschichtfolien von 80 kg/h auf 1.300 kg/h.

Schlüssel für wirtschaftliches Recycling unterschiedlichster Kunststoffe
Kunststoffe, die bislang als nicht recycelbar galten, werden mit der neuen ZS-B MEGAfeed von Coperion zu einem wertvollen Rohstoff. So können beispielsweise PCR-Flakes oder Rezyklat aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen nun mit hohen Dosierraten in den ZSK-Extruder eingebracht und dort wirtschaftlich recycelt werden.

Beim mechanischen Upcycling bislang notwendige, der Compoundierung vorgelagerte Prozesschritte wie das Verdichten, Aufschmelzen und Agglomerieren entfallen mit der ZS-B MEGAfeed-Technologie komplett. Flakes und Fasern können bei diesem Recycling-Prozess direkt in den ZSK-Extruder dosiert und dort in einem Schritt aufgeschmolzen, compoundiert, entgast und gefiltert werden. Dadurch sinken die Investitionskosten und der Energieverbrauch. Der Produktionsprozess wird deutlich effizienter. Darüber hinaus sinkt die thermische Belastung des Produkts. Die Qualität des Rezyklats steigt.

Auch beim Recycling von PET ist die Dosierrate nicht länger ein limitierender Faktor. PET-Flakes und -Fasern können mit der ZS-B MEGAfeed in großen Mengen ohne Vortrocknen und Kristallisieren in den ZSK Doppelschneckenextruder eingebracht und dort mit höchster Wirtschaftlichkeit aufbereitet werden.

Mit der ZS-B MEGAfeed kann auch Post-Consumer Waste in großen Mengen dem ZSK Doppelschneckenextruder zugeführt werden. Dieser Mehrwert greift insbesondere beim chemischen Recycling. Die Durchsatzraten des ZSKs sind mit der ZS-B MEGAfeed sehr hoch. Das Vorheizen des Rezyklats über den mechanischen Energieeintrag der Doppelschnecken wird damit für die Weiterverarbeitung im Reaktor noch wirtschaftlicher.

Die ZS-B MEGAfeed-Technologie kann bei bestehenden Coperion-Anlagen nachgerüstet werden, um so das Anwendungsspektrum der Anlage deutlich zu erweitern und um die Durchsatzraten zu steigern.