Carbonfasern sind leicht, zugfest und in vielen Verbundwerkstoffen gefragt. Ihre Herstellung beginnt jedoch meist mit Polyacrylnitril, einem Kunststoff auf fossiler Rohstoffbasis. Lignin könnte einen Teil davon ersetzen. Der Pflanzenstoff fällt unter anderem bei der Holz- und Papierverarbeitung an.

Ein Team der University of Greater Manchester hat untersucht, wie sich Vorläuferfasern aus Lignin und biobasiertem Polyamid schneller auf die spätere Carbonisierung vorbereiten lassen. Der kritische Schritt ist die Thermostabilisierung. Dabei werden die Polymerketten durch Wärme chemisch vernetzt. Ohne diese Behandlung würden die Fasern bei hohen Temperaturen schmelzen und miteinander verkleben.

Schwefelsäure fördert die Vernetzung

Die Vorläuferfasern aus Lignin und biobasiertem Polyamid müssen normalerweise langsam aufgeheizt werden. So können sich ihre Bestandteile vernetzen, bevor das thermoplastische Material erweicht und die Fasern miteinander verschmelzen. Die Forschenden behandelten deshalb die Faseroberfläche mit Schwefelsäure. Bereits eine Konzentration von 0,5 Mol pro Liter reichte aus, um die Fasern direkt bei 200 Grad Celsius zu stabilisieren. Eine langsame Aufheizphase war nicht mehr nötig, zugleich verschmolzen die Fasern nicht.

Nach den Analysen fördert die Säure vor allem die Sulfonierung des Lignins. Dabei werden schwefelhaltige Gruppen eingebaut, die Kondensations- und Vernetzungsreaktionen erleichtern. Auch das Polyamid war in geringerem Maß beteiligt. Temperatur und Dauer blieben jedoch entscheidend. Die Haltezeiten lagen unter fünf Stunden, die Endtemperaturen unter 240 Grad Celsius.

Vom Vorläufer zur Carbonfaser

Durch die optimierte Behandlung wurden die stabilisierten Fasern um bis zu 50 Prozent steifer und verformten sich unter Belastung weniger. Gleichzeitig nahm jedoch ihre Zugfestigkeit ab: Sie rissen bereits bei geringerer Zugbelastung. Der Prozess muss daher weiter angepasst werden, damit die höhere Steifigkeit nicht zulasten der Festigkeit geht.

Die Studie zeigt einen möglichen Weg, einen zeitaufwendigen Herstellungsschritt zu verkürzen. Untersucht wurden allerdings nur die stabilisierten Vorläuferfasern. Ob daraus Carbonfasern mit geeigneter Festigkeit entstehen, muss die anschließende Carbonisierung zeigen. Auch Säureeinsatz und Prozessführung müssten vor einer Skalierung technisch und ökologisch bewertet werden.

ag