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59,80 €ISBN 978-3-8440-9981-2Paperback238 Seiten130 Abbildungen311 g21 x 14,8 cmDeutschDissertation
Mai 2025
Johann Lechthaler
Untersuchungen zum thermochemischen Zersetzungsverhalten von Carbonfasern in Kohlenstoffdioxidatmosphäre
Carbonfasern besitzen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften zahlreiche Alleinstellungsmerkmale für Anwendungsbereiche im Leichtbau. Ihre Verwendung nimmt kontinuierlich zu und sie zeigen seit vielen Jahren eine sehr starke Präsenz auf dem Produktionsmarkt. Trotz der vielfältigen Anwendungen ist die Verwertung von Carbonfasern bisher eine nur unzureichend berücksichtigte Thematik. Die durchweg positiven Eigenschaften bei der Anwendung erschweren konventionelle Verwertungswege, wie z.B. die energetische Verwertung. Um diesen Bereich und besonders die damit verbundenen offenen Forschungsfragen zu beleuchten, wurde in dieser Arbeit das thermochemische Zersetzungsverhalten von Carbonfasern in Kohlenstoffdioxidatmosphäre anhand einer neuen und umfangreichen Methodik untersucht.
Der Stand der Wissenschaft wurde durch Grundlagenuntersuchungen zum thermochemischen Zersetzungsverhalten von 23 für den globalen Weltmarkt repräsentativen Carbonfasern unterschiedlicher Klassen und Eigenschaften und zwei carbonfaserverstärkten Kunststoffe ermittelt. Zusätzlich wurden die Untersuchungen durch eine Steinkohle als Vergleichsmaterial erweitert. Das methodische Vorgehen zur Charakterisierung der Carbonfasern umfasste die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung und des Energiegehaltes sowie die thermochemische Vergasung in Kohlenstoffdioxidatmosphäre (Boudouard-Reaktion). Hierfür wurden verschiedene Temperaturprogramme bis maximal 1.450 °C in einer Thermowaage und die daraus resultierende spezifische Massenänderung betrachtet. Die Produktgase aus den Zersetzungsreaktionen wurden messtechnisch erfasst und analysiert. Die stark temperaturabhängige Reaktionsgeschwindigkeit der Vergasung wurde anschließend zur Untersuchung der kinetischen Parameter nach einem Arrhenius-Ansatz genutzt und die für jede untersuchte Carbonfaser notwendige Aktivierungsenergie aus den Experimenten bestimmt. Anhand von Röntgenbeugung wurden die Abstände der Kohlenstoffschichten und die Dicke der Graphitkristallite in den Carbonfasern exakt charakterisiert. Aufbauend auf der spezifischen Massenänderung sowie struktureller Parameter ist das Zersetzungsverhalten in Abhängigkeit der Präkursoren, des Herstellungsprozesses sowie der mechanischen Eigenschaften bestimmt worden.
Anhand der Ergebnisse dieses methodischen Ansatzes wird deutlich, dass Carbonfasern ein unterschiedliches thermochemisches Zersetzungsverhalten in CO2Atmosphäre gegenüber dem in Luft zeigen. Die Art des Präkursors, die Herstellungsbedingungen und die resultierenden Festigkeitsklassen sind entscheidende Einflussfaktoren. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Carbonfasern weitestgehend unabhängig von ihren Eigenschaften bei hohen Temperaturen > 1.000 °C thermochemisch mit CO2 zu CO vergast werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist gering und nimmt mit steigender Temperatur zu. Die einzelnen Festigkeitsklassen von Carbonfasern zeigen strukturbedingte Unterschiede in Abbaugeschwindigkeit und -ausprägung. Mit diesen Ergebnissen als Beitrag zur Grundlagenforschung des thermochemischen Zersetzungsverhaltens von Carbonfasern können neue Verwertungsmöglichkeiten für Carbonfasern entwickelt und als neue Technologien etabliert werden.
Der Stand der Wissenschaft wurde durch Grundlagenuntersuchungen zum thermochemischen Zersetzungsverhalten von 23 für den globalen Weltmarkt repräsentativen Carbonfasern unterschiedlicher Klassen und Eigenschaften und zwei carbonfaserverstärkten Kunststoffe ermittelt. Zusätzlich wurden die Untersuchungen durch eine Steinkohle als Vergleichsmaterial erweitert. Das methodische Vorgehen zur Charakterisierung der Carbonfasern umfasste die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung und des Energiegehaltes sowie die thermochemische Vergasung in Kohlenstoffdioxidatmosphäre (Boudouard-Reaktion). Hierfür wurden verschiedene Temperaturprogramme bis maximal 1.450 °C in einer Thermowaage und die daraus resultierende spezifische Massenänderung betrachtet. Die Produktgase aus den Zersetzungsreaktionen wurden messtechnisch erfasst und analysiert. Die stark temperaturabhängige Reaktionsgeschwindigkeit der Vergasung wurde anschließend zur Untersuchung der kinetischen Parameter nach einem Arrhenius-Ansatz genutzt und die für jede untersuchte Carbonfaser notwendige Aktivierungsenergie aus den Experimenten bestimmt. Anhand von Röntgenbeugung wurden die Abstände der Kohlenstoffschichten und die Dicke der Graphitkristallite in den Carbonfasern exakt charakterisiert. Aufbauend auf der spezifischen Massenänderung sowie struktureller Parameter ist das Zersetzungsverhalten in Abhängigkeit der Präkursoren, des Herstellungsprozesses sowie der mechanischen Eigenschaften bestimmt worden.
Anhand der Ergebnisse dieses methodischen Ansatzes wird deutlich, dass Carbonfasern ein unterschiedliches thermochemisches Zersetzungsverhalten in CO2Atmosphäre gegenüber dem in Luft zeigen. Die Art des Präkursors, die Herstellungsbedingungen und die resultierenden Festigkeitsklassen sind entscheidende Einflussfaktoren. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Carbonfasern weitestgehend unabhängig von ihren Eigenschaften bei hohen Temperaturen > 1.000 °C thermochemisch mit CO2 zu CO vergast werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist gering und nimmt mit steigender Temperatur zu. Die einzelnen Festigkeitsklassen von Carbonfasern zeigen strukturbedingte Unterschiede in Abbaugeschwindigkeit und -ausprägung. Mit diesen Ergebnissen als Beitrag zur Grundlagenforschung des thermochemischen Zersetzungsverhaltens von Carbonfasern können neue Verwertungsmöglichkeiten für Carbonfasern entwickelt und als neue Technologien etabliert werden.
Schlagwörter: Carbonfasern; Zersetzungsverhalten; Kohlenstoffdioxid
Schriftenreihe zur Aufbereitung und Veredlung
Herausgegeben von Univ.-Prof. Dr. Kathrin Greiff, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hermann Wotruba, Aachen
Band 91
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Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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