Wenn Kohlefaser alltäglich wird, wie wird sie recycelt?

Carbon Fiber ist ein leichtes und langlebiges Material, das in der Automobil-, Windenergie-, Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Robotikindustrie verbreitet ist. Dieses fortschrittliche Verbundmaterial bietet Festigkeit und kann fast jede Anwendung formen. Daher ist es zu einer sehr beliebten Option geworden. Besonders bemerkenswert ist, dass diese Popularität einige Probleme im Umgang mit Kohlefaserabfällen aus ausrangierten Produkten verursacht hat. Hier ist alles, was Sie wissen müssen.

Kohlefaserverstärkte Polymere (CFRPs)

Carbon fibers can be laid out in different patterns and coated in matrix resins to create carbon fiber-reinforced polymers. This material has an excellent strength-to-weight ratio that has helped it become a core component of today’s most advanced equipment, manufacturing, and energy creation processes.

Entsorgung von Kohlefaser

Sobald ein Produkt, das Kohlefaser enthält, zu Abfall wird, muss dieses langlebige und immer noch wertvolle Material extrahiert werden. Die komplexe Struktur der Kohlefaserstücke und die Unfähigkeit, Epoxidharze nach dem Aushärten neu zu formen, machen das Abfallmanagement zu einer ernsthaften Herausforderung. Daher sind in den letzten Jahren mehrere neuartige Recyclingmethoden entstanden.

Traditionelle Recyclingmethoden

Leider funktionieren viele der beliebtesten traditionellen Recyclingmethoden entweder nicht oder erfordern einen enormen Energieaufwand, wodurch jegliche Kostenvorteile entfallen. Der Einsatz von Chemikalien, um das Epoxid zu lösen und die Fasern zu entfernen, ist ineffizient. Darüber hinaus entsteht dabei viel Umweltabfall in Form gefährlicher Chemikalien.
Andere Verfahren erfordern, dass das Kohlefaser‑Polymer extremen Temperaturen ausgesetzt wird, um Trennungen zu erzeugen. Dieses Verfahren ist energieintensiv und gefährlich. Zudem reduzieren beide Methoden die Zugfestigkeit der wiedergewonnenen Kohlefaserstränge um bis zu 85 %, wodurch das Material für die meisten Anwendungen unbrauchbar wird.

Elektrohydraulische Fragmentierung

Derzeit ist die fortschrittlichste Methode, Kohlefaserstränge aus Polymeren zurückzugewinnen, die elektro‑hydraulische Fragmentierung. Dieser Ansatz leitet Hochspannungsentladungen durch ein Wasserbecken. Die Kohlefaser liegt in diesem Becken, während die Hochspannungspulse ein Plasma erzeugen. Die Plasmaschwingungen arbeiten in Mikrosekunden‑Pulsen, die Materialien mittels Stoßwellen trennen.
Dieser Ansatz ist weitaus effizienter und effektiver als andere Methoden, die auf Hitze und Chemikalien setzen. Zudem verbraucht er nur etwa ein Drittel der Energie traditioneller Recyclingmethoden und kann Klebstoffe sowie Harz wirksam entfernen. Allerdings hat er einige Nachteile, wie die verringerte Zugfestigkeit der Kohlefasern.

Bessere Optionen erforderlich

Obwohl die Methode der elektrohydraulischen Fragmentierung einen großen Fortschritt gegenüber chemischen Prozessen darstellt, hat sie noch Schwächen. Eine bessere Lösung würde die Faserfestigkeit erhalten und ermöglichen, dass die Stränge mehrfach wiederverwendet werden können, ohne ihre Haltbarkeit zu verringern. Idealerweise würde sie sämtlichen Harz‑ und Klebstoffrückstand von den Strängen entfernen. Glücklicherweise hat ein innovatives Forscherteam der Waseda University einen neuen Prozess vorgestellt, der das Recycling von Kohlefaser revolutionieren könnte, sodass dieses Material in mehr Anwendungen ohne Umweltrisiken eingesetzt werden kann.

Studie zu Direktentladungs‑Elektropulsen für das Recycling von Kohlefaser

Waseda University engineers introduced a more efficient and lower-cost recycling method for recycling carbon fiber polymers. The approach, called Direct Discharge, was explained in detail in a paper published in the Scientific Journal. In the Artikel¹, the team introduced their new approach to recycling carbon fiber and tested it against the electrohydraulic fragmentation method.

Direktentladungs‑Elektropulse

The direct discharge electrical pulse method eliminates the need to apply current to a pool. Instead, it leverages Joule heating and vapor expansion to separate the material from the inside out. This method produces plasma along the material edges. In turn, thermal stress creates expansion forces, separating the fibers from the epoxy.

Quelle – Wissenschaftlicher Bericht

Test zu Direktentladungs‑Elektropulsen für das Recycling von Kohlefaser

Um die Wirksamkeit ihrer neuen Methode zu beweisen, wurden mehrere Tests durchgeführt. Die Tests verglichen beide Verfahren des Kohlefaser‑Recyclings im Detail. Insbesondere überwachten die Ingenieure wichtige Kennzahlen, darunter die Länge der Kohlefaserstränge, die Zugfestigkeit, die Menge nicht entfernter Harzreste und die Gesamtabnutzung. Zusätzlich verglich das Team den Energiebedarf, um ein vollständiges Verständnis der Leistungsfähigkeit beider Verfahren zu erhalten.

CFRP‑Laminat

Die Wissenschaftler begannen ihre Testphase, indem sie CFRP‑Laminat herstellten. Die Laminat­e wurden entwickelt, um gängige Flugzeugteile zu repräsentieren, wodurch sie sich ideal eignen, die Wirksamkeit in einem realen Szenario zu prüfen. Die Laminat­e waren nur 8 mm dick und nutzten eine gängige Kohlefaser‑Leinwandschicht. Das Material bestand aus aufeinanderfolgenden Schichten, die abwechselnd im 45‑Grad‑Winkel ausgerichtet waren. Diese Anordnung ist üblich, weil sie hervorragende Elastizität und Haltbarkeit bietet.

Direktentladungs‑Methode

Um die Direktentladungs‑Methode zu testen, stellte das Team zwei CF‑Proben her, die 100 mm bzw. 30 mm lang waren. Die Ingenieure isolierten die Proben mit gummibeschichteten Klammern, um einen stabilen Stromfluss zu gewährleisten. Anschließend wurde das gesamte Setup in Leitungswasser gestellt und Pulse wurden direkt auf die Probe angewendet.
Konkret testeten die Ingenieure den Prozess mit einer Ladespannung von 10 kV und einer Kapazität von 80 µF. Diese Daten wurden mittels eines Sensorarrays und einer Hochgeschwindigkeits‑Videokamera erfasst. Anschließend nutzten die Ingenieure Röntgentomographie und Simulationen des elektrischen Feldes, um das verbleibende Rückstandsmaterial zu verfolgen.

Elektrohydraulische Fragmentierungsmethode

Um die elektrohydraulische Methode zu testen, stellte das Team 20 mm‑quadratische Proben her. Die kleineren Proben ermöglichten es den Ingenieuren, kleinere Prüfbehälter zu verwenden, wodurch Änderungen besser nachverfolgt werden konnten. Die Proben wurden in Wasser gelegt und elektrischer Strom wurde auf das Wasser angewendet, anstatt direkt auf das Kohlefaser‑Polymer, wie bei der Direktentladungs‑Methode.

Messung der Fasern

Nach den Experimenten sammelten die Forscher aus jedem Test 100 Kohlefaserstränge. Ein HiROX RX‑100 Optisches Mikroskop wurde verwendet, um deren Längen zu vergleichen. Anschließend wurden die Stränge mit einem TM4000 Plus Rasterelektronenmikroskop auf strukturelle Integrität untersucht. Zusätzlich wog das Team die Stränge bei verschiedenen Temperaturen, um die Degradation zu verfolgen, und führte Zugfestigkeitstests einzelner Fasern mit einem SHIMADZU EZ‑SX durch.

Ergebnisse des Kohlefaser‑Recycling‑Tests

Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass Direct Discharge im Vergleich zur elektrohydraulischen Fragmentierungsmethode effektiver bei der CF‑Rückgewinnung ist. Die Forscher stellten fest, dass ihr neuer Ansatz längere Fasern mit höherer Festigkeit zurückgewinnen kann. Darüber hinaus gelang es, längere Stränge vollständig zu trennen und Rückstände zu entfernen. Beeindruckend war, dass diese Rückgewinnungsmethode 81 % der Zugfestigkeit erhalten ließ.

Direktentladung ist effizienter.

Die Direktentladungs‑Methode erwies sich als durchweg effizienter. Als elektrische Pulse angewendet wurden, verzeichnete das Team sofortige Veränderungen bereits beim ersten Puls. Diese Effekte traten schnell auf, weil Teile des Harzes zerfielen und zu Plasma wurden, wodurch eine innere Stoßwelle entstand, die die Stränge trennte.

Elektrohydraulische Fragmentierungsmethode

Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass die elektrohydraulische Fragmentierungsmethode mindestens 100 Entladungen benötigte, bevor sie irgendeine Wirkung auf das Material zeigte. Daher sind die Betriebskosten der elektrohydraulischen Fragmentierungs‑Recyclingprozesse deutlich höher als bei Direktentladungs‑Optionen. Außerdem verblieben mehr Harzreste an den CF‑Strängen im Vergleich zum Direktentladungs‑Verfahren.

Vorteile

Diese Forschung bietet zahlreiche Vorteile. Erstens eröffnet sie neue Anwendungsmöglichkeiten für Kohlefaser und Polymer. Diese leichten Materialien werden in Ihren Fahrzeugen immer häufiger eingesetzt, da effizientere Fertigungsverfahren entstehen. Daher ist es entscheidend, dieses wertvolle Material effizient zurückzugewinnen.

Effizient

Es gibt mehrere Gründe, warum der Direktentladungs‑Recyclingansatz effizienter ist als die Optionen der elektrohydraulischen Fragmentierung. Zum einen kann Joule‑Erwärmung in Mikrosekunden erzeugt werden, was eine nahezu sofortige Trennung ermöglicht. Das Team stellte fest, dass die Direktentladungs‑Methode die Energieeffizienz um mindestens das Zehnfache verbesserte.

Effektiv

Ein weiterer großer Vorteil dieser Forschung ist ihre höhere Effektivität. Die Fähigkeit, Kohlefaserstränge präzise vom Rückstand zu trennen, ist ein Wendepunkt. Dieses Verfahren reduziert die Fragmentierung, während es über 80 % der Zugfestigkeit beibehält.

Umweltfreundlich

Hinsichtlich der Umweltbelastung reduziert der Direktentladungs‑Ansatz sämtliche Risiken. Er erfordert keine schädlichen Chemikalien oder viel Wärme. Daher sind die Lager- und Anwendungsanforderungen minimal, was den Einsatz dieses Verfahrens in mehr Regionen ermöglicht.

Forscher

Die Forschung zum Recycling von Kohlefaser wurde an der Waseda University durchgeführt. Professor Chiharu Tokoro von der Abteilung für Creative Science and Engineering leitete die Studie. Keita Sato, Manabu Inutsuka und Taketoshi Koita trugen ebenfalls zur Forschung bei. Nun wird das Team seine Bemühungen ausweiten, um zu untersuchen, wie die Direktentladungs‑Methode weiter verbessert werden kann.

Unternehmen, die vom Recycling von Kohlefaser profitieren können

Mehrere Unternehmen verfügen über Produkte und Positionierungen, die von den in dieser Studie gewonnenen Erkenntnissen profitieren können. Kohlefaser kann viele verschiedene Materialien ersetzen, und da ihr Preis sinkt und die Fertigungskapazitäten steigen, werden sicherlich einige ernsthafte Gewinner hervorgehen. Hier ist ein Unternehmen, das optimal positioniert ist, um die Vorteile dieser Studie zu nutzen.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN ) ist ein führender Anbieter von erneuerbarer Technologie und Infrastruktur. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in New Jersey, wo es einer globalen Kundschaft Wind-, Solar- und Thermik‑Energielösungen anbietet. Besonders bemerkenswert ist, dass Clerway zu den renommiertesten Anbietern erneuerbarer Energien gehört. Derzeit betreibt es über 350 saubere Energieprodukte in den USA.

Investoren betrachten Clearway als attraktive Option aufgrund seiner Stabilität und des Engagements des Unternehmens für Transparenz und Innovation. Wenn Clearway Energy Inc. recycelte Kohlefaser in seine Produkte integriert, könnte es erhebliche Einsparungen erzielen. Diese Einsparungen könnten an die Verbraucher weitergegeben werden, was die Akzeptanz erneuerbarer Energien fördert und die Renditen von Clearway Energy steigert.

Recycling von Kohlefaser ist der Schlüssel für viele Branchen

Wenn man die Ergebnisse der Kohlefaser‑Recycling‑Studie betrachtet, wird deutlich, dass die neue Methode den Weg für günstigere und besser verfügbare Kohlefaser öffnet. In Zukunft könnten Bauteile Ihres Autos, die früher Pfund wogen, zu Gramm‑Gewicht werden, während sie ihre Festigkeit behalten. All diese Faktoren und vieles mehr sind dank der innovativen Forscher möglich, die sich für effizientere Recyclingmethoden von Kohlefaser einsetzen.

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Studienreferenz:

^{1. Tokoro, C., Sato, K., Inutsuka, M. et al. Effiziente Rückgewinnung von Kohlefasern aus kohlefaserverstärkten Polymeren mittels Direktentladungs‑Elektropulsen. Sci Rep 14, 29762 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76955-0}