CSIRO entwickelt Carbonfasern der nächsten Generation: Höhere Festigkeit, niedrigere Kosten

CSIROs Arbeit konzentriert sich auf die ersten Schritte der Carbonfaserproduktion, einschließlich der Polymerisation von Acrylnitril zu Polyacrylnitril (PAN) und dem Spinnen und weiterer Verarbeitung von PAN zu einem höherwertigen und günstigeren Precursor-Fasern, erklärt Abbott. Die PAN-Produktion macht 50 % der Carbonfaserkosten aus, aber 70–90 % ihrer Eigenschaften. „Deakin Universitys Technologie betrifft die finalen Schritte: Oxidation und Karbonisierung“, fährt er fort. „Die an LeMond Composites (Oak Ridge, Tennessee, USA) lizenzierte Technologie zielt auf schnelle Oxidation zur Kostensenkung dieser Endschritte ab.“

Ziel: Aerospace-Grade Carbonfaser mit 20 % höherer Festigkeit

„Unser Ziel ist eine Aerospace-Grade-Carbonfaser mit 20 % höherer Festigkeit“, sagt Abbott, erste Ergebnisse bis Ende 2020 erwartet.

Strategische Werkzeuge: RAFT-Polymerisation, FLOW-Chemie, CarbonSpec-Metrologie

CSIRO Carbonfaser-Team

Mit 5.000 Mitarbeitern, 55 Standorten, acht Business Units und ca. 1 Milliarde $ Budget spannt CSIRO Themen von 3D-Druck, Biopolymeren, Medizinimplantaten, Smart Apparel bis Astronomie/Raumfahrt – mit über 2.800 Partnern jährlich. „CSIRO erfand und patentierte Wireless LAN und nutzt die Einnahmen zur Finanzierung weiterer Forschung“, erklärt Abbott.

Einer der 55 Standorte ist im Silicon Valley, Kalifornien. CSIRO US verbindet australische Forscher mit US-Projekten für wissenschaftliche Fortschritte in Raumfahrt, Landwirtschaft, Wasserschutz, Waldbrände, Smart Cities. Ziel: Open-Innovation-Partnering mit tiefen Forschungskompetenzen und realen Problemen.

„In Composites entwickelt CSIRO neue Harze und Verarbeitungstechniken, viel Modellierung und Prozesssimulation sowie Messung von Carbonfaser-Eigenschaften. Wir entwickelten neue Instrumente zur Messung des Transversalen Moduls von Carbonfasern, die in Modellierung und Simulation einfließen.“

„CSIRO hat 30-jährige strategische Beziehung zu Boeing – 2016 und 2017 als Boeings Technology Supplier of the Year ausgezeichnet. Die Carbonfaser-Gruppe kollaboriert auch mit der University of Southern Mississippi (Hattiesburg, Mississippi, USA).“

Nassspinn-Pilotlinie

Für die Precursor-Forschung musste CSIRO eine eigene Nassspinnlinie aufbauen. „Carbonfaser wird nur von wenigen Herstellern weltweit produziert, jeder mit eigenen geheimen, patentierten Rezepten“, erklärte CSIRO-Chef Dr. Larry Marshall beim Launch 2017. Die Pilotlinie wurde von MAE (Fiorenzuola d'Arda, Italien), Spezialist für Polymer- und Faserprozesstechnik, maßgefertigt. „Sie ist wie eine kommerzielle Linie designed, aber im kleineren Maßstab“, erklärt Abbott.

Analogie Nudelteig: Eine Polymerlösung („Dope“) wird zum Spinnen von PAN-Precursor-Fasern verwendet. Wie Teig geknetet und durch eine Düse gepresst wird zu Spaghetti, wird Dope gemischt, koaguliert und durch Mehrloch-Düsen gesponnen zu 500–12.000 separaten PAN-Fasersträngen – alle feiner als Menschenhaar. Diese werden gewaschen, auf Walzen gestreckt, in Lösungsserien stabilisiert, gedämpft und getrocknet, bevor sie für die Karbonisierungslinie bei Carbon Nexus aufgespult werden.

„Es hat lange gedauert, die Precursor-Herstellung vollständig zu verstehen. Niemand wollte uns helfen, wir lerntenmostly allein. Jetzt haben wir volle Kontrolle über den Precursor-Prozess – der Schlüssel – und arbeiten mit Carbon Nexus für die Karbonisierung“, sagt Abbott.

RAFT-Polymerisation

CSIRO nutzt seine patentierte und kommerzialisierte RAFT-Technologie (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer). RAFT ist eine raffinierte Form kontrollierter freier-radikalischer Polymerisation, die Synthese maßgeschneiderter Polymeren mit beispielloser Kontrolle über Komposition und Architektur ermöglicht. Anwendungen reichen von neuartigen Drug-Delivery-Systemen bis zu Industrieschmierstoffen und Beschichtungen. CSIROs Carbonfaser-Team nutzt RAFT zur Kontrolle der PAN-Polymerisation.

„Konventionelle Polymerisation erzeugt breite Polydispersität – viele verschiedene Polymerkettenlängen“, erklärt Melissa Skidmore, CSIRO Teamleiterin Polymerchemie. „Mit RAFT-Agent erhalten wir Ketten fast gleicher Länge, also viel schmalere Molekulargewichtsverteilung. Gleiche Initiatoren, Monomere, Lösungsmittel – nur RAFT hinzugefügt.“

Molekulargewicht beeinflusst Viskosität der Spinnlösung. Traditionell führt höheres Molekulargewicht in Dope-Lösungen zu gerillten Precursor-Faseroberflächen. RAFT senkt Viskosität, ermöglicht höhere Feststoffbeladung. Entfernung des sehr hochmolekularen Polymeranteils kann zu besserer molekularer Ausrichtung in der Faser und verbesserten Eigenschaften führen. Niedriges Molekulargewicht hat plastifizierenden Effekt. „RAFT produziert PAN-Polymere, die dichtere, uniformere Precursor-Fasern mit weniger Strukturdefekten erzeugen könnten. Das könnte auch Karbonisierung beschleunigen und Kosten senken.“

„RAFT gibt auch Zugriff auf komplexe Polymerarchitekturen – weitere chemische Manipulation der Polymergruppe“, notiert Skidmore. Beispiel: Beim Koagulieren der Dope-Lösung zu Fasern. „Es gibt ein empfindliches Gleichgewicht zwischen idealen Dope-Eigenschaften und Koagulationsbedingungen. Das Polymer ist 95 % PAN und 5 % Additive. Da RAFT-Polymere anders verhalten, glauben wir, einige traditionelle Additive reduzieren und einen höheren Prozentsatz in hochfeste Faser umwandeln zu können – weniger Defekte. Wir testen das aktuell.“

RAFT ermöglicht auch Funktionalisierung während Polymerisation. Beispiel: Composites mit hoher Adsorptionskapazität für CO₂-Abscheidung. Multifunktionale Composites werden von Flugzeug- und E-Fahrzeugherstellern nachgefragt. Neue PAN- und Carbonfaser-Typen mit Zusatzfunktionen könnten wichtige Lösungen für zukünftige Composites sein.

Kontinuierlicher FLOW-Prozess

„Mit RAFT gewinnen wir Kontrolle über Polymerisation, mit FLOW über Faserbildung“, sagt Abbott.

FLOW wandelt Polymerisation von Batch- in kontinuierlichen Prozess um. Batch-Reaktoren sind etabliert, einfach einzurichten, effizient in Mischen und Reaktionskinetik-Überwachung, aber erfordern größeres Volumen als kontinuierliche Reaktoren – industrielle Skalierung teuer. Auch ineffizient bezüglich Platz und Energie. Kontinuierliche Reaktoren: kleiner, günstiger, einfach skalierbar, energieeffizienter, überlegene Prozesskontrolle, bessere Reproduzierbarkeit. Nachteil: weniger flexibel beim Wechsel zwischen Parametern/Produkten.

Sicherheits- und Nachhaltigkeitsvorteile: „PAN-Produktion ist aktuell umweltschädlich, besonders bezüglich Toxizität“, sagt Skidmore. „Kontinuierlicher Prozess verbessert Sicherheit, da toxische, geruchsintensive, brennbare Reaktionsmittel isoliert und von automatisierter Ausrüstung gehandhabt werden. Erhöht aber Komplexität der Linien, erfordert höhere Überwachung und Kontrolle.“ Abbott sieht FLOW positiv: „Carbonfaser ist inhärent variabel – alles, was Variabilität reduziert, verbessert Eigenschaften.“

CarbonSpec – Messen um zu managen

Das letzte Werkzeug in CSIROs Carbonfaser-Ansatz ist CarbonSpec. „Im Grunde Metrologie, die wir entwickelt haben, um die produzierten Fasern zu testen und die Eigenschaft-Material-Beziehung besser zu verstehen“, erklärt Pierlot. „Wenn man es nicht messen kann, kann man es nicht verbessern. Wir können Carbonfaser-Eigenschaften aus minimalen PAN- und Carbonfaser-Messungen besser vorhersagen.“

Industriestandard: Synchrotron-Röntgen-Computertomographie (CT) zur Mikrostrukturanalyse. (Synchrotron: fußballfeldgroßer Teilchenbeschleuniger, erzeugt helle Röntgenstrahlen für Imaging etc.) Mit Unterstützung des Beamline-Personals am Australian Synchrotron wurde ein neues dediziertes Charakterisierungsprotokoll für Mikrostruktur einzelner PAN-Precursor- und Carbonfasern entwickelt. Mikrostrukturkarte einzelner Fasern bis 5 µm Durchmesser in Minuten. SAXS-Signal erklärt Porenentwicklung, WAXS-Signal identifiziert kritische Mikrostrukturparameter für Faser-Modul-Optimierung. Beide Signale simultan ermöglichen Monitoring und Optimierung von mechanischer Festigkeit und Steifigkeit entlang aller Produktionsphasen von PAN-Dope zu Carbonfaser.

Innerhalb CarbonSpec entwickelt das Team neue Instrumente und Testmethoden. Beispiel: Messung von Transversalmodul und -festigkeit zusätzlich zu normalerweise berichteten Axial-Eigenschaften. Neue Methode könnte auch axiale Druckfestigkeit messen – langjährige Herausforderung, da Faserdurchmesser sehr klein (5–10 µm), echte axiale Druckspannung ohne Knicken schwer applizierbar.

20 % Festigkeitssteigerung, Carbonfasern der nächsten Generation

„Wir haben unser Verständnis der Polymer-zu-Faser-Umwandlung verbessert und produzieren jetzt kommerzielle Faser“, sagt Abbott. „Wir wenden diese Technologie-Tools auf andere Precursor-Polymere an, um SIROPAN herzustellen – CSIROs PAN-Version mit RAFT. Wir können jetzt Kilogramm davon produzieren.“

Nächster Schritt: Nutzen von RAFT-Polymeren bewerten. „Wir machen immer noch PAN, aber kontrollieren Molekulargewicht besser und erhöhen es bei niedrigerer Viskosität, was stärkere Carbonfaser produzieren kann. Wie viel stärker? Wir sind uns noch nicht sicher, aber Ziel ist 20 %. 10 % stärker reicht nicht für finanziell tragfähigen Precursor-Wechsel – 20 % ist das industrieerforderliche Minimum.“

Forschungs-Roadmap

• Neuartige Precursor-Polymere via RAFT entwickeln (hochwertige Polymere oder andere Eigenschaften)
• Kommerziell wettbewerbsfähige Polymerprozesse entwickeln (FLOW)
• Umwandlung von Polymer in Faser (Nassspinnen) für niedrigere Kosten und höhere Eigenschaften verstehen
• Einfluss von Precursor-Eigenschaften auf Carbonfaser-Eigenschaften verstehen, Carbonfaser-Eigenschaften besser vorhersagen und Prozess basierend auf Messungen/Vorhersagen optimieren (CarbonSpec)
• Maßgeschneiderte Carbonfasern für spezifische Endanwendungen durch Engineering von PAN und karbonisierter Faser produzieren

„Die Carbonfaser-Industrie wächst 10 % pro Jahr“, sagt Abbott. „Wir möchten mit etablierten und/oder neuen Industriepartnern zusammenarbeiten, die an Verbesserung von Carbonfaser-Qualität, Performance, Kosten und Nachhaltigkeit interessiert sind.“

„Wir testen sechs verschiedene Precursor-Formulierungen und werden diese bei Carbon Nexus karbonisieren“, ergänzt Skidmore. „Wir hoffen auf Ergebnisse bis Jahresende. Der Weg vom RAFT-Polymer zur weißen Faser und durch Karbonisierung dauert.“

Abbott fügt hinzu: „Wir wollen starke Ergebnisse bis Jahresende, aber wir sind für den langen Lauf dabei.“

Diese Forschung wird vom Science and Industry Endowment Fund unterstützt.