Problematik des Recyclings von CFK aus End-of-Life-Bauteilen

Anwendung von CFK

Die unbestreitbaren Potenziale, die der Einsatz von Kohlenstofffasern (engl. carbon fibres; CF) zur Verstärkung von Kunststoffen (CFK) bietet, beruhen insbesondere auf dem Paradoxon nach Slayter. Dieses besagt, dass ein Verbundwerkstoff Spannungen aufnehmen kann, die bei dessen schwächster Komponente zu einem Werkstoffversagen führen würden. [1] Entsprechend bewirken die ohnehin guten mechanischen Kennwerte der Kohlenstofffasern (vgl. Abb. 1) ein deutlich gesteigertes Eigenschaftsprofil in technischen CFK-Anwendungen. Im Zusammenspiel mit den geringen Dichten von Fasern und Kunststoffmatrix bietet sich CFK als ideales Material für Leichtbauzwecke an.

So konnte sich das Material im Fahr- bzw. Flugzeugbau etablieren, wo es zu Kraftstoffeinsparungen beiträgt, oder im Windenergiesektor die Herstellung größerer, leistungsstärkerer Anlagen ermöglicht. Darüber hinaus werden immer neue Anwendungsfelder erschlossen. Neben Sport- und Freizeitanwendungen können auch Maschinenelemente aus CFK in Produktionsmaschinen verbesserte Leistungen oder höhere Genauigkeiten bieten. [3] Auch die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern wird inzwischen in Bauteilen, wie Wellenerdungen, genutzt. [4]

Notwendigkeit des CFK-Recyclings

Nicht nur aufgrund der Vorteile und Einsparpotentiale während der Anwendung in Verbundwerkstoffen, sondern auch aufgrund des Herstellungsverfahrens liegt den Kohlenstofffasern ein hoher ökologischer sowie ökonomischer Wert inne. Die Herstellung von Kohlenstofffasern erfolgt in einem mehrstufigen Hochtemperaturprozess. Aus energiebilanziellem Aspekt rentiert sich demnach der Einsatz von Kohlenstofffasern nur, wenn dieser zu einer hohen Energieeinsparung während der Anwendung führt. Da einige der neu erschlossenen Anwendungen mit sinkenden Lebensdauern einhergehen, ist es erforderlich, mit der Wiederverwendung der Fasern und dem Durchlaufen mehrerer Produktlebenszyklen eine positive Energiebilanz zu erreichen. [5]

Statistiken bzw. Hochrechnungen über gegenwärtige und zukünftig anfallende CFK-Abfallmengen sind kaum erhältlich. Werden die Produktionsmengen und Bedarfe an CFK sowie das prognostizierte Branchenwachstum als Grundlage betrachtet, werden in den nächsten Jahren – mit steigender Tendenz – beträchtliche Mengen zu entsorgende End-of-Life-Bauteile (EoL) aus CFK anfallen. [6] Darüber hinaus entstehen bereits während der Bauteilherstellung große Mengen an Produktionsabfällen (PA). Trotz industriell verstärkt zum Einsatz kommender endformnaher CFK-Verarbeitungsverfahren können die PA-Mengen einen Anteil von über 30 % der Gesamtmenge erreichen. [7]

Auf Basis gesetzlicher und regulativer Anforderungen mit dem Ziel zur Umsetzung einer Kreislaufwirtschaft ist das Recycling die einzige ökonomisch sinnvolle Option zur Verwertung von CFK. [4] Durch die Wiedergewinnung können die rezyklierten Kohlenstofffasern (rCF) einer neuen Anwendung zugeführt werden und Neufasern substituieren.

Recycling und Faserauf­bereitung im Überblick

Die einfachste Recyclingform ist die Wiederverwertung von nichtimprägnierten CF aus Produktionsabfällen, wie Spulenresten oder Verschnitt. Nach der Zerkleinerung in Fasern einheitlicher Länge findet das gemahlene bzw. gehäckselte Recyclinggut in verschiedenen Kunststoffverarbeitungsverfahren Eingang als Füllstoff. [8]

Die dagegen komplexeren CFK-Recyclingverfahren beruhen nahezu immer auf dem Prinzip der Faser-Matrix-Separation. Da die Fasern im CFK überwiegend in duroplastische, also unschmelzbare Matrizes gebettet sind, kann der Kunststoff nur in wenigen Recyclingverfahren erhalten und wiederverwertet werden. Das besondere Augenmerk liegt auf dem schonenden Erhalt der Fasern, denn diese verkörpern den höheren Wert im Verbundwerkstoff. In der bisher stattgefundenen Forschung zum CFK-Recycling kristallisierten sich besonders drei Hauptverfahren heraus, die in der aktuellen Forschung angepasst und hinsichtlich Prozesseffizienz oder Recyclingergebnis optimiert werden. [7]–[9]

Bei dem thermischen Verfahren der Pyrolyse wird durch hohe Temperaturen die Kunststoffmatix zersetzt, sodass die Fasern erhalten bleiben. Die Schwierigkeit besteht darin, die Matrix restlos zu veraschen, während die Molekülstruktur der Kohlenstofffasern nicht geschädigt wird. Unterschiedliche Bauteildicken, variierende Faser-Matrix-Zusammensetzungen oder verschiedene Matrixkunststoffe wirken sich negativ auf den Prozesserfolg aus. Einerseits lässt sich dieser Nachteil durch die Zuführung ausschließlich sortenreiner, strukturell einheitlicher CFK-Güter beeinflussen. Diese Reinheit ist jedoch real nur bei Produktionsabfällen erreichbar. Andererseits kann eine Vorzerkleinerung die Verwertung von gemischten (EoL-) CFK-Abfällen erleichtern, da eine gleichmäßigere und dementsprechend schonendere Temperaturverteilung möglich ist. Dies bringt wiederum den Nachteil mit sich, dass die Faserlängen stark eingekürzt werden und das Recyclinggut an Wert verliert. Da das Pyrolyserecycling bereits industriell betrieben wird, existiert über dieses Verfahren der größte Erfahrungsschatz. [8], [10]

Das Solvolyseverfahren, welches auf der chemischen Zersetzung der polymeren Matrix unter Erhalt der CF-Struktur beruht, weist Potential für eine großtechnische Umsetzung auf. [9] Dennoch ist das Verfahren, ähnlich der Pyrolyse, wenig tolerant gegenüber EoL-Abfallfraktionen aus gemischten Anwendungen, da die Wahl des Lösungsmittels auf der Polymerart der Matrix basiert. Auch eine Vorzerkleinerung der Abfälle zur Vergrößerung der Partikeloberfläche ist essentiell für den Recyclingerfolg, wobei wiederum die Faserlänge beeinträchtigt wird. Zusätzlich sind die Lösungsmittel in Einsatz, Aufbereitung und Entsorgung zum Teil ökologisch bedenklich. [4]

Mechanische Recyclingverfahren überzeugen im Hinblick auf Energieverbrauch und Umweltauswirkung gegenüber Pyro- und Solvolyse. Verschiedene Recyclingmaschinen zerkleinern die CFK-Bauteile bis zur Faser-Matrix-Separation. Dabei ist das Verfahren tolerant gegenüber gemischten CFK-Abfallfraktionen aus EoL-Quellen. Eine Abtrennung und Verwertung der polymeren Bestandteile ist grundsätzlich möglich. Die stark eingekürzten Fasern werden vorrangig als Füllstoff in duroplastischen oder thermoplastischen Matrizes verwendet. [11] Je nach Restfaserlänge und Faser-Matrix-Haftung ist entweder eine mechanische Verstärkung oder die Nutzung weiterer nichtmechanischer Materialeigenschaften möglich. Entsprechend variieren die praktischen Anwendungsmöglichkeiten.

Aus der großen Zahl der einsetzbaren Anlagentechnik sowie den Verfahrensparametern resultiert eine enorme Verfahrensvielfalt. Diese, kombiniert mit den in Gestalt und Materialzusammensetzung variierenden (EoL-) Recyclinggütern, beeinflusst den Faser-Output stark. Im Widerspruch dazu steht die industrielle Forderung nach konstanten Verstärkungseigenschaften eines Werkstoffes. Auch die Vergleichbarkeit bisheriger Forschungsergebnisse wird durch die Verfahrensvielfalt erschwert.

Forschung der Professur Kunststoffe

Ein negativer Aspekt bei der Zerkleinerung von Kohlenstofffasern bzw. der Weiterverarbeitung von CF-Kurzfasern ist die von nanoskaligen Faserfragmenten ausgehende Gesundheitsgefahr bei der Inhalation bzw. die technische Gefahr von Kurzschlüssen in elektrischen Maschinen. An dieser Stelle setzt die aktuelle Forschung der Professur Kunststoffe der Technischen Universität Chemnitz in Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg und der SiC Processing (Deutschland) GmbH an. Zum Vermeiden von Staubemissionen wird ein innovatives Nass-Aufbereitungsverfahren für mechanisch recycelte Kohlenstoff-Kurzfasern erprobt, bei dem die Fasern ununterbrochen in flüssigen Medien gebunden sind.

Die Kennwerte des entstehenden CFK werden sowohl durch das Aufbereitungsverfahren als auch durch Schwankungen der Recyclingfaser-Komponente elementar beeinflusst. Zu betrachtende Einflussgrößen sind unter anderem Polymerwerkstoff, Faserlänge, Faseranteil, Verunreinigungsgrad durch Primärmatrixpartikel und der Feuchtegehalt der Faserkomponente. Dieses Spannungsfeld bewirkt Compoundeigenschaften, welche mit kommerziell erhältlichen rCF-Compounds zu vergleichen sind, um deren Erfolg in praktischen Anwendungen abschätzen zu können.

Fehlender Fokus auf Gestaltung von Recyclingkreisläufen

Während die CFK-Abfallaufkommen steigen, beschäftigt sich die seit Jahren weltweit anhaltende Recycling- und Aufbereitungsforschung vorrangig mit der Problembehebung einzelner Verfahren und dem Finden von spezifischen, auf das Recycling-Output angepassten Anwendungen. Die Notwendigkeit zur Implementierung eines effizienten, ganzheitlichen Recycling-Kreislaufs scheint aus dem Fokus gerückt zu sein. Der einer Kohlenstofffaser innewohnende Wert kann jedoch nur durch erfolgreiches Recycling über mehrere Produktlebenszyklen (vgl. Abb. 2) erhalten und genutzt werden. Da jede Faserkürzung einem Wertverlust entspricht, ist es essentiell, die Faserlänge durch die gezielte Verfahrenswahl zu erhalten. Demnach eignet sich das Recycling mittels Pyrolyse bzw. Solvolyse vorrangig für EoL-Abfälle aus textilen Halbzeugen mit CF in nahezu endloser Länge. Bei diesen Recyclingverfahren können die wiedergewonnenen CF als Langfasern in flächigen Halbzeugen, wie z.B. Vliesen, einem weiteren Produktlebenszyklus zugeführt werden. Da das mechanische Recycling zu einer starken Faserverkürzung führt, ist dieses Verfahren im Sinne des Werterhalts für End-los-CF-Verbunde eher wenig geeignet. Um hingegen (bereits recycelte und erneut verwendete) Kohlenstoff-Langfasern wiederzugewinnen und die entstandenen Kurzfasern einem weiteren Produktlebenszyklus zuzuführen, ist dieses Verfahren aus Blickpunkten der Energieeffizienz und des Verfahrensaufwands als äußerst vorteilhaft einzuschätzen.

Ausblick

Wird ein Recyclingkreislauf, ähnlich des in Abb. 2 Vorgeschlagenen, industriell umgesetzt, wachsen die Anforderungen an die Homogenität des Recycling-Inputs. Dem entgegen steht die wachsende Menge von EoL-Mischabfällen aus unbekannten Anwendungen oder Quellen. im Gegensatz zu Produktionsabfällen können diese nur unzureichend nach CF-Typ, Faserlänge, Halbzeugart oder Matrixwerkstoff getrennt werden. Entsprechend besteht Forschungsbedarf an der Detektion von Vorschädigungen durch vorangegangene Recycling- und Aufbereitungsprozesse sowie an Prüfverfahren und Methoden zur Differenzierung unterschiedlicher CFK-Elemente insbesondere in industriellem Maßstab.

Dennoch wird bei keinem Recyclingverfahren gänzlich auszuschließen sein, dass Eigenschaftsschwankungen durch gemischtes Recyclinginput oder anderweitige Verunreinigungen entstehen. Den gezielten und bewussten Umgang mit den Schwankungen zu erlernen, die sich sowohl auf den Aufbereitungsprozess, als auch auf das entstehende CFK-Eigenschaftsprofil auswirken, stellt sich als weiteres Kernthema für Forschung und Entwicklung heraus.

Zeitgleich müssen vermehrt Anwendungen gefunden werden, in denen der Einsatz recycelter CF einen Mehrwert im Eigenschaftsprofil bildet und dennoch ein gewisses Maß an Materialschwankungen unter Gewährleistung der Produktsicherheit zulässt. Dabei ist vor allem die Bereitschaft von Industrie und Verbrauchern gefragt, CF-Recyclingmaterialien einzusetzen und deren Eigenschaften Vertrauen zu schenken.

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Literaturverzeichnis

[1] G. W. Ehrenstein, Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe – Verarbeitung – Eigenschaften, 2. Auflage, München, Wien: Hanser, 2006.

[2] C. Völlmecke, „Mechanik der Faserverbundwerkstoffe – Fasertypen“, Sep. 13, 2016. http://svfs.ifm.tu-berlin.de/fasertypen.html (zugegriffen Aug. 03, 2020).

[3] H.-C. Möhring, „Composites in Production Machines“, Procedia CIRP, Bd. 66, S. 2–9, 2017, doi: 10.1016/j.procir.2017.04.013.

[4] H. Lengsfeld, H. Mainka, und V. Altstädt, Carbonfasern: Herstellung, Anwendung, Verarbeitung. München: Carl Hanser, 2019.

[5] A. Hohmann, K. Drechler, und G. Reinhart, „Ökobilanzielle Untersuchung von Herstellungsverfahren für CFK-Strukturen zur Identifikation von Optimierungspotentialen“, Technische Universität München, München, 2019.

[6] M. Sauer, „Composites-Marktbericht 2019“, Carbon Composites e.V., 2019.

[7] E. Uhlmann und P. Meier, „Carbon Fibre Recycling from Milling Dust for the Application in Short Fibre Reinforced Thermoplastics“, Procedia CIRP, Bd. 66, S. 277–282, 2017, doi: 10.1016/j.procir.2017.03.277.

[8] D. Meiners und B. Eversmann, „Recycling von Carbonfasern“, in Recycling und Rohstoffe. Band 7, K. Thomé-Kozmiensky, S. Thiel, E. Thomé-Kozmiensky, und D. Goldmann, Hrsg. Neuruppin: TK Verlag, 2014.

[9] R. Emmerich und J. Kuppinger, „Kohlenstofffasern wiedergewinnen“, Kunststoffe, Bd. 6, Nr. 2014, S. 92–97, 2014.

[10] S. Kreibe u. a., „Schlussbericht MAI Recycling“, Augsburg, Projektabschlussbericht, 2015.

[11] G. Oliveux, L. O. Dandy, und G. A. Leeke, „Current status of recycling of fibre reinforced polymers: Review of technologies, reuse and resulting properties“, Prog. Mater. Sci., Bd. 72, S. 61–99, 2015, doi: 10.1016/j.pmatsci.2015.01.004.

[12] A. L. Nicholson, E. A. Olivetti, J. R. Gregory, F. R. Field, und R. E. Kirchain, „End-of-life LCA allocation methods: Open loop recycling impacts on robustness of material selection decisions“, in 2009 IEEE International Symposium on Sustainable Systems and Technology, Tempe, AZ, USA, 2009, S. 1–6, doi: 10.1109/ISSST.2009.5156769.

Autor*innen:

Prof. Dr.-Ing. Michael Gehde
Monika Böhm M.Sc.