Kohlefaser: Typen, Rohstoffe und Herstellungsverfahren

Kohlefasern (CF) besitzen einen Durchmesser von 5–10 µm und bestehen nahezu vollständig aus Kohlenstoffatomen.

Ihre herausragenden Eigenschaften:

• hohe Steifigkeit,
• hohe Zugfestigkeit,
• geringes Gewicht und
• hohe chemische Beständigkeit.

Nach diesem Beitrag kennen Sie die Klassifizierung, die notwendigen Rohstoffe und den detaillierten Herstellungsprozess – damit Sie die Qualität von Kohlefaserprodukten besser beurteilen und den Fertigungsablauf effizienter steuern können.

1. Allgemeine Klassifizierung von Kohlefasern

A. Nach Zugmodul

Das Zugmodul (Elastizitätsmodul) ist das Hauptkriterium. Es gibt an, wie steif eine Faser bei gegebenem Durchmesser ist – je höher der Wert, desto steifer die Faser.

B. Steigende Reihenfolge des Zugmoduls

Weitere Klassen in aufsteigender Reihenfolge: Standardmodul, Intermediärmodul, Hochmodul und Ultrahochmodul.

Beispiel: Ultrahochmodul-Fasern erreichen 500–1.000 GPa, Stahl nur ca. 200 GPa. Die stärkste Kohlefaser ist somit etwa fünfmal steifer als Stahl.

2. Notwendige Rohstoffe

Der Ausgangsstoff ist der Vorläufer (Precursor).

A. Polyacrylnitril (PAN)

Ca. 90 % aller Kohlefasern basieren auf PAN.

B. Viskose (Rayon) oder Petroleumpitch

Die restlichen 10 % stammen aus Viskose oder Petroleumpitch. Alle sind organische Polymere mit langen Kohlenstoffketten.

C. Gase und Flüssigkeiten

Während der Fertigung sind diverse Gase und Flüssigkeiten unverzichtbar. Einige reagieren mit der Faser für gezielte Effekte, andere verhindern unerwünschte Reaktionen. Die genauen Rezepturen sind oft Betriebsgeheimnisse.

3. Herstellungsprozess

Der Prozess ist teilweise chemisch, teilweise mechanisch.

Der Vorläufer wird zu langen Strängen gezogen und unter Ausschluss von Sauerstoff auf sehr hohe Temperaturen erhitzt.

Ohne Sauerstoff kann die Faser nicht verbrennen. Die Hitze lässt die Atome so stark schwingen, dass die meisten Nicht-Kohlenstoff-Atome entweichen.

Dieser Vorgang heißt Karbonisierung und hinterlässt eine Faser aus eng verflochtenen Kohlenstoffketten mit minimalen Fremdatomen.

Im Folgenden wird der typische Ablauf ab PAN-Vorläufer beschrieben.

3.1 Spinnen

1. Mischen von Acrylnitril-Pulver mit einem Comonomer (z. B. Methylacrylat oder Methylmethacrylat).
2. Polymerisation mit Katalysator in Suspensions- oder Lösungsverfahren zu PAN-Kunststoff.
3. Der Kunststoff wird zu Fasern gesponnen, anschließend gewaschen und gestreckt.

3.2 Stabilisieren (Oxidation)

1. Vor der Karbonisierung müssen die Fasern chemisch modifiziert werden: lineare Bindungen wandeln sich in thermisch stabile Leiterstrukturen um.
2. Erhitzen in Luft auf 200–300 °C für 30–120 Minuten.

3.3 Karbonisieren

1. Erhitzen auf 1.000–3.000 °C für mehrere Minuten in einem Ofen mit sauerstofffreier Gasatmosphäre.
2. Der Ofendruck wird über Umgebungsdruck gehalten; Ein- und Austrittsstellen sind abgedichtet, um Sauerstoffeintritt zu verhindern.

3.4 Oberflächenbehandlung

Nach der Karbonisierung haftet die Faser schlecht an Epoxidharzen. Durch leichte Oxidation der Oberfläche werden die Haftungseigenschaften verbessert.

3.5 Sizing (Schlichten)

1. Die Fasern werden zum Schutz vor Beschädigung beim Wickeln/Weben beschichtet – dieser Schritt heißt Sizing. Beschichtungsmaterialien (Epoxid, Polyester, Nylon, Urethan etc.) werden passend zum späteren Matrixharz gewählt.
2. Die beschichteten Fasern werden auf Spulen (Bobbins) gewickelt, in eine Spinnmaschine eingelegt und zu Garnen verschiedener Feinheit verdreht.

Das war die Grundinformation zur Kohlefaserfertigung. Wir hoffen, sie war hilfreich. Fragen gerne in den Kommentaren!

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