Lars Bostan

Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung feintitriger Garne aus Hochleistungsthermoplasten mit produktspezifischem mechanischem und thermomechanischem Verhalten und der Nachweis deren Verarbeitung in der textilen Produktionskette. Bei den Garneigenschaften stand insbesondere die Faserfestigkeit, mit einem Zielwert > 50 cN/tex und der variabel einstellbare Faserschrumpf im Vordergrund, um verschiedenste Anwendungsfelder bedienen zu k nnen. Nach der Festlegung auf den Hochleistungsthermoplasten PEEK wurden zun chst Referenzgarne aus kommerziellen PEEK-Typen hergestellt und im Anschluss ber den Prozess des Blendens mit hochmolekularen PEEK-Typen das Materialverhalten der Ausgangpolymere angepasst und dessen Einfluss auf das Spinnverhalten und die resultierenden Fasereigenschaften bewertet. Dabei stellte sich heraus, dass alle Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften erf llt werden konnten, jedoch der positive Einfluss auf den thermomechanischen Schrumpf nicht gegeben war, wodurch die variable Schrumpfeinstellung nicht gegeben war. Die entwickelten Garne zeigten dennoch das Potential als Stick-, N h- oder Wirkfaden eingesetzt werden zu k nnen und in der Herstellung auf einen industriellen Ma stab skalierbar zu sein. Somit wurde das Ziel des Forschungsvorhabens teilweise erreicht.

Mit der Entwicklung eines Schmelzspinnprozesses fur ein Islands-in-the-Sea Lignin-Precursor-Garn mit 888 Lignin-Filamenten wird die Lucke zwischen Labor- und Industriemassstab fur schmelzgesponnene Lignin-Precursoren als Basis fur die Kohlenstofffaser-Herstellung geschlossen. Die Prozessentwicklung greift dabei die verarbeitungstechnischen Erkenntnisse aus der Materialbewertung, der Losungsmittelfraktionierung und der thermischen Vorbehandlung auf und definiert Mindestanforderungen an das Lignin sowie kritisches Lignin-Verhalten, das der Spinnprozess kompensieren muss. Durch den Einsatz eines Spin-Carrier-Systems mit wasserloslichem Polyvinylalkohol als unterstutzende Polymerkomponente gelingt es, ein Islands-in-the-Sea-Garn prozesssicher herzustellen. Durch das Auswaschen des Polyvinylalkohols fuhrt dieses zu einem reinen Lignin-Precursor-Garn und ermoglicht eine kontinuierliche Weiterverarbeitung in der Konvertierung zur Kohlenstofffaser.

Zur Fertigung von belastungsoptimierten Faserverbundstrukturen existieren derzeit unterschiedliche Verfahren. Neben textiltechnischen L sungen auf Basis unspezifischer Garne wie dem Tailored Fibre Placement-Verfahren (TFP), kommen bei dem Fibre-Placement-Verfahren und dem Tow-Placement modifizierte Faserb ndel zum Einsatz. Durch das erforderliche bebindern oder vorimpr gnierte der Verst rkungsfasern lassen sich jedoch im Vergleich zum TFP-Verfahren nur gro e in-plane Radien umsetzen. Nachteilig beim TFP-Verfahren sind hingegen Filamentsch digungen durch den Stickprozess, Faserondulationen und Harznester, die durch das Einbringen von N hf den entstehen. Hinzu kommen Einschr nkungen in der maximalen Lagenanzahl eines TFP-Preforms. Die hier vorgestellte neuartige Legetechnologie basiert auf den Einsatz von nano-funktionalisierten Thermoplasten. Die hieraus in Kombination mit Kohlenstofffasern aufgebauten Hybridrovings lassen sich mittels Induktionstechnik thermisch aktivieren und k nnen somit effizient zu ma geschneiderten Hybridpreforms abgelegt und fixiert werden. Ondulationen der Verst rkungsfasern und Einschr nkungen in der Lagenanzahl k nnen mit diesem Verfahren im Vergleich zur TFP-Technologie umgangen werden. Im Thermoformprozess werden diese Preforms zur finalen CFK-Strukturen konsolidiert. Die von EVONIK modifizierten PEEK-Compounds wurden bislang in Zusammensetzungen mit 15, 20 und 30 Gew.-% MagSilica(R) analysiert. Mit den am FIBRE im Schmelzspinnverfahren hergestellten MagSilica(R)-PEEK-Fasern konnten dabei Aufheizgeschwindigkeiten von 680 K/s bis zum Erreichen des vollst ndigen Aufschmelzens (360 C) erzielt werden. Das Aufschmelzen von Raumtemperatur erfolgt somit nach ca. 0,5 s. Mit einer einzelnen konventionellen hochfrequenten Induktionsspule (22 mm L nge) wurde im Laborma stab eine Legegeschwindigkeiten von 2,7 m/min f r PEEK erreicht, was einer typischen Legegeschwindigkeit einer TFP-Anlage mit 550 Stichen/min mit 5 mm Stichl nge entspricht. Wird die