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Nanoröhren machen Lignin-Carbonfasern fit fürs Auto
Vom Zellstoffabfall zum Leichtbauwerkstoff: Forschern ist es gelungen, Lignin so mit Polyacrylnitril zu kombinieren, dass eine nassgesponnene Carbonfaser die Anforderungen für Automobile erreicht. Funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren richten dabei die Kristallstrukturen aus. Zugleich könnte der Ansatz den Bedarf an erdölbasiertem PAN und die Herstellungskosten deutlich senken.
St. Louis (U.S.A.). Carbonfasern vereinen geringes Gewicht mit hoher Festigkeit und kommen deshalb in Fahrzeugen, Flugzeugen und Windkraftanlagen zum Einsatz. Ihr wichtigster Ausgangsstoff ist meist Polyacrylnitril (PAN), das aus Erdöl gewonnen wird und einen großen Teil der Herstellungskosten ausmacht.
Eine mögliche Alternative ist Lignin, ein kohlenstoffreicher Bestandteil pflanzlicher Zellwände und ein Nebenprodukt der Papier- und Bioraffinerieindustrie. Bisher erreichten nassgesponnene Lignin-Fasern jedoch nicht die mechanische Leistung, die für anspruchsvolle Leichtbauanwendungen nötig ist. Entscheidend ist dabei nicht nur, wie viel kristalline Struktur beim Verkohlen entsteht, sondern auch, wie gut diese Bereiche entlang der Faser ausgerichtet sind.
Forscher der Washington University in St. Louis (WashU) um Prof. Joshua S. Yuan haben deshalb Lignin mit PAN und funktionalisierten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren kombiniert. Die Nanoröhren dienen als winzige Schablonen, an denen sich die entstehenden Kristallbereiche ausrichten können. Anschließend versponn das Team die Mischung nass, stabilisierte die Vorläuferfasern unter Zugspannung und carbonisierte sie bei hoher Temperatur.
„Die Ausrichtung der Kristallisation ist entscheidend für die Qualität von Carbonfasern“, erklärt Joshua S. Yuan.
Die optimierte Faser erreichte eine Zugfestigkeit von 2,04 Gigapascal und einen Elastizitätsmodul von 176 Gigapascal. Damit übertraf sie laut Studie den für diese Anwendung herangezogenen Standard der Automobilindustrie. Zugleich stieg die elektrische Leitfähigkeit mit der besseren Ausrichtung der Kristallbereiche.
„Zum ersten Mal können wir damit erneuerbare Carbonfasern herstellen, die den hohen Qualitätsstandard für den Automobilbau erreichen“, sagt Joshua S. Yuan.
Der Materialmix ersetzt einen erheblichen Teil des sonst benötigten PAN durch Lignin. Die technoökonomische Analyse der Forscher weist dadurch auf deutlich niedrigere Herstellungskosten hin. Die ergänzende Lebenszyklusanalyse zeigt zudem einen geringeren CO₂-Fußabdruck, wenn der erneuerbare Rohstoff an die Stelle eines Teils des erdölbasierten Polymers tritt.
Der Fortschritt beruht dabei nicht auf einem einzelnen Verarbeitungsschritt. Erst das Zusammenspiel aus funktionalisierten Nanoröhren, Nassspinnen, Stabilisierung unter Zug und angepasster Carbonisierung erhöht sowohl den Anteil als auch die Orientierung der kristallinen Bereiche. Die Nanoröhren wirken dabei ähnlich wie eine innere Bewehrung und fördern die Ausrichtung der Kristallbereiche.
„All dies zusammen ermöglicht uns, ligninbasierte erneuerbare Carbonfasern mit einer stark ausgerichteten Kristallstruktur herzustellen“, erklärt Joshua S. Yuan.