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DITF: CO2-negative construction with new composite material Photo: DITF
Structure of the wall element
20.03.2024

DITF: CO2-negative construction with new composite material

The DITF is leading the joint project "DACCUS-Pre*". The basic idea of the project is to develop a new building material that stores carbon in the long term and removes more CO2 from the atmosphere than is emitted during its production.       

In collaboration with the company TechnoCarbon Technologies, the project is now well advanced - a first demonstrator in the form of a house wall element has been realized. It consists of three materials: Natural stone, carbon fibers and biochar. Each component contributes in a different way to the negative CO2 balance of the material:

Two slabs of natural stone form the exposed walls of the wall element. The mechanical processing of the material, i.e. sawing in stone cutting machines, produces significant quantities of stone dust. This is very reactive due to its large specific surface area. Silicate weathering of the rock dust permanently binds a large amount of CO2 from the atmosphere.

The DITF is leading the joint project "DACCUS-Pre*". The basic idea of the project is to develop a new building material that stores carbon in the long term and removes more CO2 from the atmosphere than is emitted during its production.       

In collaboration with the company TechnoCarbon Technologies, the project is now well advanced - a first demonstrator in the form of a house wall element has been realized. It consists of three materials: Natural stone, carbon fibers and biochar. Each component contributes in a different way to the negative CO2 balance of the material:

Two slabs of natural stone form the exposed walls of the wall element. The mechanical processing of the material, i.e. sawing in stone cutting machines, produces significant quantities of stone dust. This is very reactive due to its large specific surface area. Silicate weathering of the rock dust permanently binds a large amount of CO2 from the atmosphere.

Carbon fibers in the form of technical fabrics reinforce the side walls of the wall elements. They absorb tensile forces and are intended to stabilize the building material in the same way as reinforcing steel in concrete. The carbon fibers used are bio-based, produced from biomass. Lignin-based carbon fibers, which have long been technically optimized at DITF Denkendorf, are particularly suitable for this application: They are inexpensive due to low raw material costs and have a high carbon yield. In addition, unlike reinforcing steel, they are not susceptible to oxidation and therefore last much longer. Although carbon fibers are more energy-intensive to produce than steel, as used in reinforced concrete, only a small amount is needed for use in building materials. As a result, the energy and CO2 balance is much better than for reinforced concrete. By using solar heat and biomass to produce the carbon fibers and the weathering of the stone dust, the CO2 balance of the new building material is actually negative, making it possible to construct CO2-negative buildings.

The third component of the new building material is biochar. This is used as a filler between the two rock slabs. The char acts as an effective insulating material. It is also a permanent source of CO2 storage, which plays a significant role in the CO2 balance of the entire wall element.

From a technical point of view, the already realized demonstrator, a wall element for structural engineering, is well developed. The natural stone used is a gabbro from India, which has a high-quality appearance and is suitable for high loads. This has been proven in load tests.  Bio-based carbon fibers serve as the top layer of the stone slabs. The biochar from Convoris GmbH is characterized by particularly good thermal insulation values.

The CO2 balance of a house wall made of the new material has been calculated and compared with that of conventional reinforced concrete. This results in a difference in the CO2 balance of 157 CO2 equivalents per square meter of house wall. A significant saving!

* (Methods for removing atmospheric carbon dioxide (Carbon Dioxide Removal) by Direct Air Carbon Capture, Utilization and Sustainable Storage after Use (DACCUS).

Source:

Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung

STFI: Lightweight construction innovations at JEC World in Paris (c) silbaerg GmbH and STFI (see information on image)
23.02.2024

STFI: Lightweight construction innovations at JEC World in Paris

At this year's JEC World, STFI will be presenting highlights from carbon fibre recycling as well as a new approach to hemp-based bast fibres, which have promising properties as reinforcement in lightweight construction.

Green Snowboard
At JEC World in Paris from 5 to 7 March 2024, STFI will be showcasing a snowboard from silbaerg GmbH with a patented anisotropic coupling effect made from hemp and recycled carbon fibres with bio-based epoxy resin. In addition to silbaerg and STFI, the partners Circular Saxony - the innovation cluster for the circular economy, FUSE Composite and bto-epoxy GmbH were also involved in the development of the board. The green snowboard was honoured with the JEC Innovation Award 2024 in the “Sport, Leisure and Recreation” category.

At this year's JEC World, STFI will be presenting highlights from carbon fibre recycling as well as a new approach to hemp-based bast fibres, which have promising properties as reinforcement in lightweight construction.

Green Snowboard
At JEC World in Paris from 5 to 7 March 2024, STFI will be showcasing a snowboard from silbaerg GmbH with a patented anisotropic coupling effect made from hemp and recycled carbon fibres with bio-based epoxy resin. In addition to silbaerg and STFI, the partners Circular Saxony - the innovation cluster for the circular economy, FUSE Composite and bto-epoxy GmbH were also involved in the development of the board. The green snowboard was honoured with the JEC Innovation Award 2024 in the “Sport, Leisure and Recreation” category.

VliesComp
The aim of the industrial partners Tenowo GmbH (Hof), Siemens AG (Erlangen), Invent GmbH (Braunschweig) and STFI united in the VliesComp project is to bring recycled materials back onto the market in various lightweight construction solutions. The application fields "Innovative e-machine concepts for the energy transition" and "Innovative e-machine concepts for e-mobility" were considered as examples. On display at JEC World in Paris will be a lightweight end shield for electric motors made from hybrid nonwovens - a mixture of thermoplastic fibre components and recycled reinforcing fibres - as well as nonwovens with 100% recycled reinforcing fibres. The end shield was ultimately manufactured with a 100% recycled fibre content. The tests showed that, compared to the variant made from primary carbon fibres using the RTM process, a 14% reduction in CO2 equivalent is possible with the same performance. The calculation for the use of the prepreg process using a bio-resin system shows a potential for reducing the CO2 equivalent by almost 70 %.

Bast fibre reinforcement
To increase stability in the plant stem, bast fibres form in the bark area, which support the stem but, in contrast to the rigid wood, are very flexible and allow slender, tall plants to move in the wind without breaking.A new process extracts the bast bark from hemp by peeling.The resulting characteristic values, such as tensile modulus of elasticity, breaking strength and elongation, are very promising in comparison with the continuous rovings made of flax available on the market.The material could be used as reinforcement in lightweight construction.At JEC World, STFI will be exhibiting reinforcing bars that have been processed into a knitted fabric using a pultrusion process based on bio-based reinforcing fibres made from hemp bast for mineral matrices.

Source:

Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI)

09.09.2022

Neues EU-Projekt für Carbonfaser- und Glasfaserverbundwerkstoffe

Das EU-Projekt „MC4 – Multi-level Circular Process Chain for Carbon and Glass Fibre Composites“ untersucht zirkuläre Ansätze für die Wiederverwendung von Verbundwerkstoffen aus Carbon- und Glasfasern. Es entwickelt Prozesstechnologien und Qualitätssicherungsmethoden, die ein wirtschaftliches Recycling von Carbon- und Glasfaserbauteilen ermöglichen. Die im Fokus stehenden Materialien sind für zahlreiche technische Anwendungen unverzichtbar, bei denen ein geringes Materialgewicht und hohe Performance besonders geschätzt werden. Die europäischen Wertschöpfungsketten für Carbon- und Glasfasern müssen jedoch in zweierlei Hinsicht optimiert werden: in Bezug auf die ökologische und die wirtschaftliche Effizienz.

Das EU-Projekt „MC4 – Multi-level Circular Process Chain for Carbon and Glass Fibre Composites“ untersucht zirkuläre Ansätze für die Wiederverwendung von Verbundwerkstoffen aus Carbon- und Glasfasern. Es entwickelt Prozesstechnologien und Qualitätssicherungsmethoden, die ein wirtschaftliches Recycling von Carbon- und Glasfaserbauteilen ermöglichen. Die im Fokus stehenden Materialien sind für zahlreiche technische Anwendungen unverzichtbar, bei denen ein geringes Materialgewicht und hohe Performance besonders geschätzt werden. Die europäischen Wertschöpfungsketten für Carbon- und Glasfasern müssen jedoch in zweierlei Hinsicht optimiert werden: in Bezug auf die ökologische und die wirtschaftliche Effizienz.

Derzeit gehen bis zu 40 % des Materials im Produktionsprozess als Abfall (z.B. Prepreg-Abfälle im Zuschnitt) verloren und nach einer Lebensdauer von 15 bis 30 Jahren werden 98 % des Materials der Entsorgung zugeführt, ohne Aussicht auf Wiederverwertung. Bei einem jährlichen Verbrauch von etwa 138.000 Tonnen Carbonfasern und 4,5 Millionen Tonnen Glasfaserverbundwerkstoffen sind entsprechende Umweltauswirkungen von hoher Relevanz.
Zusätzlich zu diesen Umweltproblemen muss die derzeitige Wettbewerbsposition Europas in diesen Wertschöpfungsketten verbessert werden, um weniger von ausländischen Quellen abhängig zu sein. 80 % der Herstellung von Carbon- und Glasfasern findet außerhalb Europas statt, und wenn die Herstellung in Europa erfolgt, sind die Technologien häufig von anderen Ländern

MC4 wird sich auf verschiedene Wiederverwendungs- und Recyclingprozesse entlang des Lebenszyklus von Verbundwerkstoffen konzentrieren. Dazu gehören:

  • Chemische Recyclingtechnologien für eine wirtschaftlich effiziente Trennung von Matrix und Carbonfasern
  • Verarbeitungstechnologien für die Wiederverwendung von Prepreg-Abfällen aus dem Produktionsablauf (z.B. beim Zuschnitt)
  • Mechanische Recyclingverfahren für Bauteile aus Glasfaserverbundwerkstoffen zur direkten Wiederverwendung der Materialien in neuen Bauteilen
  • Neue Harze für eine bessere Recycelbarkeit von Glasfaserbauteilen
  • Technologien für die Verarbeitung von recycelten Carbonfasern zur Herstellung von Garnen, Geweben und Vliesstoffen für Verbundbauteile
  • Qualitätssicherungsmethoden zur Charakterisierung von recycelten Glas- und Carbonfasern und der daraus hergestellten neuen Verbundwerkstoffe

Das Konsortium umfasst 15 Partner aus sieben europäischen Ländern. Prozessentwickler, Materialhersteller, Hersteller von Verbundbauteilen sowie Endverbraucher decken die gesamte Wertschöpfungskette ab.

Das STFI bringt in verschiedenen Arbeitspaketen des Projektes seine Kompetenzen im Bereich der Verarbeitung und des Recyclings von Carbonfasern und Carbonfaserverbundbauteilen ein. Neben der Herstellung von Vliesstoffen und deren Prüfung stehen die Anfertigung von Demonstratoren, aber auch entsprechende LCA und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen im Vordergrund.

MC4 wird von der Europäischen Union unter dem Aufruf HORIZON-CL4-2021-RESILIENCE-01-01 im Forschungsrahmenprogramm Horizon Europe finanziert. Die Laufzeit des Projektes ist von April 2022 bis März 2025.

Source:

Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. (STFI)

Anlagentechnik zum Carbonfaser-Recycling im Zentrum für Textilen Leichtbau am STFI, Foto: Dirk Hanus.
28.10.2020

Innovationen beim Recycling von Carbonfasern

  • 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.

  • 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.“

Source:

Deutsche Industrieforschungsgemeinschaft Konrad Zuse e.V.