Innovativer Ansatz zum Carbonfaser-Recycling für eine grünere Zukunft

Waseda University, Shinjuku, Japan

Die Welt rast rasant in eine entwickelte Zukunft, und kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) spielen eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung technologischen und industriellen Fortschritts. Diese Verbundwerkstoffe sind leicht und hochfest, was sie für Anwendungen in verschiedenen Bereichen wünschenswert macht, einschließlich Luftfahrt, Aerospace, Automotive, Windkraft und Sportausrüstung.

Jedoch stellt das Recycling von CFK eine signifikante Herausforderung dar, wobei Abfallmanagement ein drängendes Problem ist. Konventionelle Recyclingmethoden erfordern Hochtemperaturerhitzung oder chemische Behandlungen, was hohe Umweltauswirkungen und erhöhte Kosten zur Folge hat. Zudem war es eine Herausforderung, hochwertige Kohlenstofffasern zurückzugewinnen. In dieser Hinsicht wurde elektrohydraulische Fragmentierung als vielversprechende Option vorgeschlagen. Bei dieser Technik werden intensive Stoßwellenimpulse, erzeugt durch Hochspannungsentladungsplasmen, entlang der Grenzflächen verschiedener Materialien angewendet, um die verschiedenen Komponenten zu trennen.

Während diese Methode lukrativ ist, können wir es besser machen? Diese Frage beantwortend, hat ein Forscherteam von der Waseda University, geleitet von Professor Chiharu Tokoro vom Department of Creative Science and Engineering, und einschließlich Keita Sato, Manabu Inutsuka und Taketoshi Koita, eine neuartige direkte Entladungs-Elektrimpuls-Methode für effizientes CFK-Recycling entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden am 30. November 2024 im Journal Scientific Reports veröffentlicht.

Tokoro spricht über die Motivation hinter ihrer gegenwärtigen Arbeit und sagt: „In unseren vorherigen Studien hatten wir bereits Forschungsexpertise in der Erzeugung von Stoßwellen in Wasser mittels elektrischer Impulsphänomene zur effizienten Fragmentierung schwer zu verarbeitender Materialien etabliert. Allerdings entdeckten wir in Anwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien, dass direkte Entladung, die Joulesche Erwärmung und Dampfexpansion des Materials selbst nutzt, effektiver für hocheffiziente Trennung ist als das Verlassen auf Stoßwellen. Wir wenden diesen Ansatz jetzt auf CFK an, mit der Hypothese, dass er effizientere Separation im Vergleich zu aktuellen Methoden erreichen könnte.“

Die direkte Entladungs-Elektrimpuls-Technik nutzt Joulesche Wärmeerzeugung, thermische Spannungserzeugung und Expansionskraft durch Plasmasgenerierung, wodurch der Bedarf an Erhitzung oder Chemikalien entfällt. Die Forscher verglichen diese Methode mit elektrohydraulischer Fragmentierung, indem sie die entsprechenden physikalischen Eigenschaften der zurückgewonnenen Kohlenstofffasern untersuchten, einschließlich Länge, Zugfestigkeit, Harzanhaftung und struktureller Degradation, sowie die Energieeffizienz in Bezug auf Faserseparation. Sie fanden, dass ihre neue Technik effektiver für Kohlenstofffaserrückgewinnung ist. Sie bewahrt relativ längere Fasern mit höherer Festigkeit und trennt CFK präzise in einzelne Fasern ohne residuales Harz auf der Oberfläche.

Zudem verbessert der direkte Entladungsansatz die Energieeffizienz um einen Faktor von mindestens 10 im Vergleich zu traditionellen Alternativen, während er Umweltauswirkungen reduziert und Ressourcennutzung fördert.

Daher wird diese Technologie erwartet, CFK-Recycling zu beschleunigen und signifikant zur Entwicklung einer nachhaltigen Gesellschaft beizutragen. Laut Tokoro: „Unsere Forschungsergebnisse haben zahlreiche Anwendungen, betreffend das Recycling von CFK aus ausgedienten Flugzeugkomponenten, Automobilabfall und Windturbinenblättern. Daher unterstützt die vorliegende Innovation Nachhaltigkeit across Industrien durch Ermöglichung effizienter Ressourcenrückgewinnung und Reduzierung von Umweltauswirkungen.“

Insgesamt wird erwartet, dass diese Arbeit die United Nations Sustainable Development Goals von Industrie, Innovation und Infrastruktur (SDG 9) und Verantwortungsvollem Konsum und Produktion (SDG 12) weiter vorantreibt.

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