Untersuchungen zum Recycling von kohlefaserverstärkten ...

Mathias Tötzke
Untersuchungen zum Recycling von
kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK)
durch Depolymerisation im Metallbad

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de
abrufbar.
Unter dem Titel „Untersuchungen zum Recycling von kohlefaserverstärkten Kunststoffen
durch Depolymerisation im Metallbad“ als Dissertation zur Erlangung des
akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen
Fakultät (Ingenieurwissenschaftlicher Bereich) der Martin-
Luther-Universität Halle-Wittenberg vorgelegt von Herrn Mathias Tötzke, geb. am
02.07.1972 in Blankenburg/Harz
Datum der Disputation: 08.04.2005
Gutachter:
1. Prof. Dr.-Ing. Siegfried Otte, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
2. Prof. Dr.-Ing. Karl Schulte, Technische Universität Hamburg-Harburg
Dekan des Fachbereichs: Prof. Dr.-Ing. habil. Holm Altenbach
Gedruckt auf holz- und säurefreiem Papier, 100 % chlorfrei gebleicht.
© Weißensee Verlag, Berlin 2005
Kreuzbergstraße 30, 10965 Berlin
Tel. 0 30 / 91 20 7-100
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Alle Rechte vorbehalten
Umschlagbild: Recycling-Kohlefasermatte mit einem herausgelöstem Kohlefaserbündel
und zerkleinerten Kohlefaserabschnitten (Foto: Mathias Tötzke)
Printed in Germany
ISBN 3-89998-063-8

Danksagung
Es ist nur möglich, eine Doktorarbeit erfolgreich zum Ende zu bringen, wenn man von
zahlreicher Seite unterstützt wird.
Ohne den umfassenden fachlichen und materiellen Beitrag von Dr. Martin Löffler und
Prof. Richard Schimko wäre die Arbeit nicht denkbar gewesen. Einen ruhigen Kopf und
gleichzeitig nach vorn gerichteten Optimismus kann man in Situationen wie einer
drohenden Insolvenz oder bei einem havarierenden Pyrolysereaktor nicht hoch genug
einschätzen.
Für zahllose inhaltliche Anregungen und umfangreiche experimentelle Unterstützung bin
ich Dr. André Wutzler zu Dank verpflichtet. Meinen Betreuern Prof. Siegfried Otte und
Prof. Hans-Joachim Radusch danke ich nicht nur für die konstruktiven Diskussionen
sondern auch für den bemerkenswert offenen Umgang und das entgegengebrachte
Vertrauen. Ohne die Unterstützung von Prof. Karl Schulte in Hamburg sowie die guten
Augen und die ruhige Hand von Leif Ole Meyer wären die Einzelfilamentzugversuche
nicht realisiert worden.
Dass die Arbeit orthografisch einen annähernd fehlerfreien Zustand erreicht hat, ist vor
allem den Mühen meines Bruders und meines Vaters zu verdanken, die sich im Urlaub in
akribischer Kleinarbeit durch verschiedene Kapitel durchkämpfen durften. Daneben
sorgten vor allem die kritischen Augen von Ingo Schellhammer dafür, dass auch die
letzten versteckten Rechtschreibfehler gefunden und inhaltliche Konsistenz hergestellt
wurde.
Für kritische Anmerkungen und ausgedehnte Diskussionen in unserer Doktorandenrunde
sind Gerrit Amthor, Jan Peter Korthals und Tobias Wischer verantwortlich, die sich alle
auf diesem Weg zu Kohlfaserexperten entwickelten.
Für die benötigte produktive Stimmung und gute Laune im Büro sorgten nicht zuletzt
Tobias Wischer, Axel Flasbarth und Urs Verweyen.
Abschließend möchte ich mich bei meiner Frau Tanja bedanken. Die von ihr erhaltene
Unterstützung ist nicht mit Worten zu fassen, hervorzuheben ist jedoch die während der
gesamten Zeit gezeigte Geduld.
Berlin, im Oktober 2004
Mathias Tötzke

INHALTSVERZEICHNIS
- VII -
ABBILDUNGSVERZEICHNIS........................................................................... XI
TABELLENVERZEICHNIS............................................................................ XIII
1 EINLEITUNG ................................................................................................1
1.1 THEMATISCHER HINTERGRUND................................................................1
1.2 MOTIVATION DER ARBEIT ........................................................................1
1.3 AUFBAU DER ARBEIT...............................................................................3
2 CHARAKTERISIERUNG KOHLEFASERVERSTÄRKTER KUNSTSTOFFE.........5
2.1 KOHLEFASERN ........................................................................................6
2.1.1 Eigenschaften .............................................................................6
2.1.2 Herstellung...............................................................................10
2.1.2.1 Herstellung von Kohlefasern auf PAN-Basis..................13
2.2 MATRIX 15
2.2.1 Funktion der Matrix .................................................................16
2.2.2 Verwendete Matrixmaterialien.................................................16
2.2.2.1 Aufbau und Herstellung von Epoxidharzen ....................18
2.3 FASER-MATRIX-KOPPLUNG...................................................................19
2.3.1 Chemische Nachbehandlung der Faseroberfläche ..................19
2.3.2 Auftragen einer Schlichte auf die Faseroberfläche .................20
3 STAND DER TECHNIK BEIM RECYCLING VON CFK .................................21
3.1 KLASSIFIZIERUNG RECYCLINGVERFAHREN .............................................21
3.1.1 Stoffliches Recycling ................................................................21
3.1.2 Chemisches Recycling..............................................................22
3.1.2.1 Thermische Verfahren - Pyrolyse....................................22
3.1.2.2 Thermische Verfahren - Teiloxidation ............................23
3.1.2.3 Solvolytische Verfahren ..................................................23
3.1.3 Thermische Verwertung ...........................................................24
3.2 RECYCLINGVERFAHREN FÜR CFK..........................................................24
3.2.1 Stoffliche Recyclingverfahren für CFK....................................26
3.2.2 Chemische Recyclingverfahren für CFK .................................27
3.2.2.1 Recycling mittels Pyrolyse ..............................................27
3.2.2.2 Recycling mittels Teiloxidation ......................................30
3.2.2.3 Recycling mittels Solvolyse ............................................31
3.3 VERGLEICH DER VERFAHRENSANSÄTZE ..................................................32
3.3.1.1 Recycling mittels Pyrolyse ..............................................33
3.3.1.2 Recycling mittels Teiloxidation ......................................34
3.4 ZUSAMMENFASSUNG STAND DER TECHNIK .............................................35

- VIII -
4 UNTERSUCHUNGEN ZUR DEPOLYMERISATION VON CFK
IM FLÜSSIGEN ZINNBAD............................................................................ 37
4.1 VERWENDETE MATERIALIEN.................................................................. 38
4.2 VORGEHEN ........................................................................................... 39
4.2.1 Herstellung Ausgangsmaterial ................................................ 41
4.2.2 Durchführung von Pyrolyse-Untersuchungen an CFK ........... 41
4.2.3 Analyse der Recyclingprodukte ............................................... 44
4.2.3.1 Versuchsschema Zugversuche ........................................ 44
4.2.3.2 Auswertung und statistische Behandlung
der Zugversuche .............................................................. 47
4.2.4 Faseraufbereitung und -zerkleinerung .................................... 49
4.2.4.1 Vereinzelung der Fasermatten......................................... 49
4.2.4.2 Zerkleinerung der Fasermatten ....................................... 49
4.2.4.3 Abtrennung des Restzinnanteils...................................... 53
4.2.6 Analyse der Verstärkungswirkung........................................... 53
4.2.6.1 Verstärkungswirkung von Kurzfasern ............................ 53
4.2.6.2 Angewendete Compoundierungstechnologie.................. 56
4.3 ANGEWENDETE ANALYSEMETHODEN ..................................................... 56
4.4 BEWERTUNG DER ERGEBNISSE .............................................................. 58
4.4.1 Herstellung Ausgangsmaterial ................................................ 59
4.4.2 Durchführung von Pyrolyse-Untersuchungen an CFK ........... 59
4.4.2.1 Massebilanz bei der Reaktion ......................................... 60
4.4.3 Analyse der Recyclingprodukte ............................................... 61
4.4.3.1 Einschätzung Qualität der Recyclingfaser, erste
Versuchsreihe.................................................................. 61
4.4.3.2 Einschätzung Qualität der Recyclingfaser, zweite
Versuchsreihe.................................................................. 67
4.4.3.3 Analyse des Pyrolyseöls.................................................. 80
4.4.3.4 Analyse des Pyrolysegases.............................................. 82
4.4.4 Faseraufbereitung und -zerkleinerung .................................... 83
4.4.4.1 Vereinzelung der Fasermatten......................................... 83
4.4.4.2 Zerkleinerung der Fasermatten ....................................... 83
4.4.4.3 Abtrennung des Restzinnanteils...................................... 86
4.4.5 Analyse Verstärkungswirkung ................................................. 87
4.5 ENTWICKLUNG ANLAGENKONZEPT ........................................................ 91
4.5.1 Vorbereitung des Ausgangsmaterials ...................................... 93
4.5.2 Gestaltung des Pyrolysereaktors ............................................. 93
4.5.3 Behandlung der Spaltprodukte ................................................ 93
4.5.4 Nachbehandlung der pyrolysierten Fasern ............................. 93
4.5.5 Resultierendes Sankeydiagramm ............................................. 95

- IX -
5 WIRTSCHAFTLICHE BEWERTUNG DES VERFAHRENS ..............................97
5.1 VERFÜGBARE CFK-ABFALLMENGEN .....................................................97
5.2 MARKT FÜR CFK-KURZFASERN.............................................................98
5.3 WIRTSCHAFTLICHKEIT EINER CFK-RECYCLINGANLAGE..........................99
5.3.1 Abschätzung der erwarteten Erträge .......................................99
5.3.2 Abschätzung der erwarteten Kosten.......................................100
5.3.3 Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der Anlage.....................103
6 ZUSAMMENFASSUNG...............................................................................105
7 ABSTRACT ..............................................................................................107
8 LITERATURVERZEICHNIS........................................................................109
ANHANG I: PROTOKOLLE DER ZUGVERSUCHE AN
FASERBÜNDELN ...................................................................117
ANHANG II: WEIBULL-DIAGRAMME DER
EINZELFILAMENTZUGVERSUCHE........................................122
ANHANG III: FASERLÄNGENVERTEILUNG IM COMPOUND
RECYCLINGFASER-PA 6,6...................................................124
ANHANG IV: TGA-PLOTS DER RECYCLINGFASER, ZWEITE
VERSUCHSREIHE..................................................................130
ANHANG V: MESSWERTE DER COMPOUNDIERUNGSVERSUCHE.............131
ANHANG VI: STOFFSTROMLISTE UND ERWARTETE STOFFSTRÖME........132

ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Überblick über den Aufbau der Arbeit
Abbildung 2: Schematische Darstellung und Vergleich der Dauerfestigkeit
von CFK mit glasfaserverstärktem Kunststoff, Aluminium und
Stahl
- XI -
Seite
Abbildung 3: Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Kohlefasern 9
Abbildung 4: Mechanische Eigenschaften von am Markt angebotenen PANund
pitch-basierten Kohlefasern
12
Abbildung 5: Reaktion während der Stabilisierungsphase 14
Abbildung 6: Reaktionen während der Carbonisierungsphase (vereinfacht) 15
Abbildung 7: Klassifizierung der für die Polymermatrix verwendeten
Kunststoffe
17
Abbildung 8: Chemischer Aufbau einer Epoxid-Gruppe 18
Abbildung 9: Systematik möglicher Recyclingverfahren für Kunststoffe 21
Abbildung 10: Institutionen mit Forschungstätigkeiten im Bereich Recycling 26
von CFK
Abbildung 11: Ausgangsmaterial für Pyrolyse-Vorversuche, teilweise
38
vorzerkleinert
Abbildung 12: Überblick über das experimentelle Vorgehen 40
Abbildung 13: Für die Vorzerkleinerung der CFK-Abfälle eingesetzter
Zerkleinerer
41
Abbildung 14: Bei der zweiten Versuchsreihe verwendeter Batchreaktor 43
Abbildung 15: Befestigtes Kohlefaserfilament auf Probenträger für
46
Einzelfilamentzugversuch
Abbildung 16: Verlauf der 2-parametrigen Weibull-Funktion für verschiedene 48
Größen des Weibull-Moduls
Abbildung 17: Aufbau der Zugfestigkeit in der Faser einer Matrix 50
Abbildung 18: Theoretisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm für
Kohlenstoff-Epoxidharz-Composites
51
Abbildung 19: Horizontal geteilter Schneidgranulator der CS-Baureihe 52
Abbildung 20: Abhängigkeit der Zugfestigkeit von unidirektionalen,
langfaserverstärkten Kohlefaser-Epoxidharz-Compounds vom
Winkel zwischen Faserorientierung und Kraftwirkung
3
7
54

Abbildung 21: Abhängigkeit der Zugfestigkeit vom Faseranteil im Compound
- XII -
Seite
Abbildung 22: Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes der Recyclingfasern von
der Verweildauer im Reaktor
62
Abbildung 23: REM-Aufnahmen Fasermatte 63
Abbildung 24: Messpunkte der ESMA-EDX-Analyse auf einer Fasermatte 64
Abbildung 25: TGA-Plot Recyclingfaser, Pyrolysebedingungen: T = 450°C; 65
t= 10 min
Abbildung 26: TGA-Plot Recyclingfaser, Pyrolysebedingungen: T = 550°C; 66
t = 10min
Abbildung 27: Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes der Recyclingfasern von 67
der Verweildauer im Reaktor; Vergleich mit neuer HTA-Faser
Abbildung 28: REM-Aufnahmen Fasermatte, Einfluss der Pyrolysetemperatur 69
Abbildung 29: REM-Aufnahmen Fasermatte, Einfluss der
Reaktorverweildauer
69
Abbildung 30: TGA-Plot Recyclingfaser, Einfluss der Pyrolysetemperatur 70
Abbildung 31: TGA-Plot Recyclingfaser, Einfluss der Verweildauer 71
Abbildung 32: Weibull-Diagramm der im Einzelfilamentzugversuch
analysierten Fasertypen
76
Abbildung 33: GC-MS der Ölphase, erhalten bei 450°C Pyrolysetemperatur 81
Abbildung 34: GC-MS der Ölphase, erhalten bei 550°C Pyrolysetemperatur 81
Abbildung 35: Gewölle aus Kurzfasern nach Zerkleinerung auf Schneidmühle 84
Abbildung 36: Zerkleinerte Kurzfasern durch Schneidscheren 86
Abbildung 37: Angefallenes Grobgut beim Windsichten der zweiten
87
Versuchsreihe
Abbildung 38: Darstellung und Vergleich der Verstärkungswirkung der
88
Recyclingfasern in PA 6,6 - Compounds
Abbildung 39: Verfahrensfließbild des vorgeschlagenen Anlagenkonzeptes 92
Abbildung 40: Sankeydiagramm zum entwickelten Anlagenkonzept 95
Abbildung 41: Wirtschaftlichkeitsabschätzung einer Recyclinganlage für CFK 103
Abbildung 42: Break-Even-Analyse zur Ermittlung der kritischen
Anlagenkapazität
55
104

TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von Grafit und Diamant
- XIII -
Seite
Tabelle 2: Darstellung ausgewählter Eigenschaften von Kohlefasern 7
Tabelle 3: Gegenüberstellung existierender Ansätze zum Recycling von
kohlefaserverstärkten Kunststoffen mittels Pyrolyse
28
Tabelle 4: Gegenüberstellung existierender Ansätze zum Recycling von
kohlefaserverstärkten Kunststoffen mittels Teiloxidation
30
Tabelle 5: Gegenüberstellung existierender Ansätze zum Recycling von
kohlefaserverstärkten Kunststoffen mittels Solvolyse
32
Tabelle 6: Eigenschaften des verwendeten Kohlefasertyps Tenax HTA 39
Tabelle 7: Versuchsschema der durchgeführten Zugfestigkeitsmessungen 45
Tabelle 8: Überblick über Parameter und durchgeführte Analysen der
Versuchsreihen
58
Tabelle 9: Ergebnisse der ESMA-EDX Untersuchung der Recyclingfaser 64
Tabelle 10: Ergebnisse der Faserbündelzugversuche 72
Tabelle 11: Weibull-Parameter der Analyse der Zugfestigkeits-Messwerte der
Einzelfilamentzugversuche
77
Tabelle 12: Weibull-Parameter der Analyse der Messwerte der Bruchdehnung
der Einzelfilamentzugversuche
80
Tabelle 13: Gemessener Zinnanteil im Pyrolyseöl 82
Tabelle 14: Ergebnisse der Messung der durchschnittlichen Faserlänge im
Compound
89
Tabelle 15: Resultierende Faserlänge im Spritzgussstab beim Einsatz von
HTA-Schnittfasern
90
Tabelle 16: Gemessene Charpy-Schlagzähigkeit des Compounds
Kohlefaser-PA 6,6
90
Tabelle 17: Ausrüstungsliste zum vorgeschlagenen Anlagenkonzept 92
Tabelle 18: Abschätzung der Investitionskosten 101
Tabelle 19: Sensitivitätsanalyse des erzielten Periodengewinns in
Abhängigkeit von ausgewählten Einflussfaktoren
6
103

1 EINLEITUNG
1.1 THEMATISCHER HINTERGRUND
- 1 -
Mit ihrer hohen Steifigkeit, Festigkeit und Dauerfestigkeit bei gleichzeitig geringem
Gewicht besitzen kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK 1 ) herausragende mechanische
Eigenschaften. Dadurch werden sie für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten
interessant. Bereits seit vielen Jahren finden sie in der Raumfahrt, im Flugzeugbau und
im Spitzensport Verwendung.
Ein breiterer Einsatz dieser Materialien wurde bislang vor allem durch die hohen Kosten
für die Fasern eingeschränkt. In den letzten Jahren führten Skaleneffekte sowie verbesserte
Produktionstechnologien allerdings zu einem Preisrückgang für Kohlefasern.
Damit sind Kohlefasern für einen wirtschaftlichen Einsatz in neuen Anwendungsgebieten,
darunter auch in der Automobilindustrie interessant geworden. Der weiterhin
hohe Zwang zur Leichtbauweise lässt hier zukünftig einen deutlich verstärkten Einsatz
dieser Materialien erwarten.
Ein Recycling von kohlefaserverstärkten Kunststoffen ist aus zwei Gründen sinnvoll.
Erstens stellt sich die Rückgewinnung der wertvollen Fasern aus ökonomischer Sicht als
interessant dar. Zweitens ist aus ökologischer Sicht zur Schonung der vorhandenen
natürlichen Ressourcen möglichst ein geschlossener Werkstoffkreislauf anzustreben. Im
Automobilbau wird dieses Ziel über branchenspezifische gesetzliche Rahmenbedingungen
gefördert. So werden zukünftig über die Altautoverordnung Recyclingquoten für eine
stoffliche und energetische Verwertung von Altfahrzeugen festgeschrieben. Das führt
dazu, dass neue Materialien flächendeckend nur eingesetzt werden, wenn deren
Recyclingfähigkeit nachgewiesen ist. Damit ist die Entwicklung von Recyclingtechnologien
für kohlefaserverstärkte Kunststoffe eine wichtige Aufgabe für die kommenden
Jahre.
Anwendungsfähige Konzepte für das Recycling dieser Materialien existieren bisher nur
in Ansätzen. So wurden bereits erste Verfahren entwickelt, diese liefern jedoch noch
keine vollständig zufriedenstellenden Ergebnisse bzw. haben noch keine industrielle
Einsatzreife erreicht.
1.2 MOTIVATION DER ARBEIT
Die vorliegende Arbeit soll an dieser Stelle ansetzen und ein neues Verfahrenskonzept für
das Recycling von kohlefaserverstärkten Kunststoffen untersuchen, dessen zentraler
Bestandteil die Pyrolyse in einem Metallbad aus flüssigem Zinn darstellt. Ziel ist die
Rückgewinnung der werthaltigen Kohlefasern. Die Arbeit entwickelt ein Patent [65]
1 Für diese Materialien hat sich die Abkürzung CFK durchgesetzt, abgeleitet von der ursprünglichen
Materialbezeichnung "carbonfaserverstärkte Kunststoffe".

1 Einleitung - 2 -
weiter, welches für das Recycling von Altreifen mit dem Ziel der Wiedergewinnung des
Rußanteils der Reifen erteilt wurde. Im Zentrum steht die Idee, flüssiges Zinn als
Pyrolysemedium zu verwenden. Dieser Ansatz soll für das neue Anwendungsgebiet der
kohlefaserverstärkten Kunststoffe weiter entwickelt werden.
Mit dem dargestellten Verfahrensansatz sind wesentliche Vorteile gegenüber bekannten
Recyclingverfahren für kohlefaserverstärkte Kunststoffe zu erwarten. Diese lassen sich
vor allem auf den Einsatz von Zinn als Pyrolysemedium zurückführen. Zum einen ist zu
erwarten, dass dadurch eine wesentlich kürzere Verweildauer im Reaktor und damit eine
deutlich geringere thermische Belastung der Kohlefasern realisiert werden kann. Zum
anderen sollten zusätzliche prozessspezifische Vorteile durch den Einsatz eines flüssigen
Pyrolysemediums erreicht werden. Hier ist vor allem aufzuführen, dass keine Vermischung
zwischen flüssigem Pyrolysemedium und den entstehenden Reaktionsgasen
stattfindet sowie ein geringer Temperaturgradient im Reaktionsraum realisiert werden
kann. Gleichzeitig werden oxidative Schädigungen vermieden, wie sie bei oxidativ
wirkenden Recyclingverfahren möglich sind.
Im Zentrum der Beurteilung des Verfahrens steht die Einschätzung und Optimierung der
erreichten Qualität der Recycling-Kohlefaser. Bislang wurde diese entweder durch
Analyse der Faser direkt oder durch den Wiedereinsatz in kohlefaserverstärkten
Kunststoffen bewertet. Im Gegensatz dazu wird in der Arbeit erstmals eine umfassende
und komplexe Qualitätsbeurteilung vorgenommen. Einerseits wird die Recycling-
Kohlefaser hinsichtlich ihrer wesentlichen Charakteristika betrachtet, andererseits aber
auch ihre Eignung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen untersucht.
Weiterhin wird in der Arbeit nicht nur der Verfahrensschritt der Pyrolyse isoliert
untersucht, sondern ein komplettes Anlagenkonzept von der Vorbereitung der Ausgangsmaterialien
bis zur Nachbereitung der entstehenden Reaktionsprodukte entwickelt.
Aus wissenschaftlicher Sicht sollen damit als zentraler Forschungsbeitrag der vorliegenden
Arbeit zwei Kernfragen geklärt werden:
1. Lassen sich mit dem dargestellten Ansatz einer Pyrolyse in flüssigem Zinn
Recyclingfasern mit einer Qualität rückgewinnen, welche im Vergleich mit bekannten
Verfahren deutlich verbessert ist?
2. Kann auf dieser Basis ein Verfahrens- und Anlagenkonzept entworfen werden, das
einerseits technisch umsetzbar, andererseits aber auch wirtschaftlich ist?

1.3 AUFBAU DER ARBEIT
- 3 -
Die Arbeit gliedert sich in fünf wesentliche Kapitel. Im Anschluss an die Einleitung wird
in einem ersten Schritt im Kapitel 2 eine Charakterisierung kohlefaserverstärkter
Kunststoffe vorgenommen. Darauf aufbauend wird der Stand der Technik beim
Recycling speziell von kohlefaserverstärkten Kunststoffen im Kapitel 3 detailliert
dargestellt und eine Bewertung der bisherigen Forschungen in diesem Gebiet vorgenommen.
Den Kern der Arbeit stellt Kapitel 4 dar, in dem die Entwicklung eines neuen
Depolymerisationsverfahrens zum Recycling von CFK ausgeführt wird. Abschließend
wird das entwickelte Verfahrenskonzept im Kapitel 5 hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit
bewertet. Der Aufbau der Arbeit ist in Abbildung 1 im Überblick dargestellt.
1. Einleitung
2. Charakterisierung kohlefaserverstärkter
Kunststoffe
Charakterisierung
Kohlefasern
Darstellung Faser-Matrix-Kopplung
Charakterisierung
Matrix
3. Stand der Technik beim Recycling von CFK
4. Entwicklung eines neuen Depolymerisationsverfahrens
für CFK
Beschreibung
Versuchsanlage
Bewertung der Ergebnisse
Entwicklung Anlagenkonzept
Überblick über
durchgeführte Analysen
5. Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
Abbildung 1: Überblick über den Aufbau der Arbeit
Die Darstellung der technischen Grundlagen im Kapitel 2 orientiert sich an dem prinzipiellen
Aufbau von kohlefaserverstärkten Kunststoffen. So werden in einem ersten
Schritt die beiden Hauptbestandteile des Materials, die Kohlefasern und die Kunststoffmatrix
umfassend charakterisiert. Darauf aufbauend erfolgt in einem zweiten Schritt die
genaue Betrachtung der Faser-Matrix-Kopplung, da diese ebenfalls einen zentralen Einfluss
auf die Eigenschaften des Materials besitzt.

1 Einleitung - 4 -
Kapitel 3 beinhaltet einen übergreifenden Vergleich der existierenden Ansätze für das
Recycling kohlefaserverstärkter Kunststoffe. Um einen theoretischen Rahmen für die
Darstellung der einzelnen Konzepte zum Recycling von CFK zu setzen, wird zu Beginn
des Kapitels eine Systematisierung der Recyclingverfahren vorgenommen. Grundlage der
anschließenden Einschätzung wird eine umfangreiche Recherche der bisher verfügbaren
Recyclingtechnologien für kohlefaserverstärkte Kunststoffe sein. Neben der detaillierten
Darstellung des Stands der wissenschaftlichen Forschung soll diese Arbeit Rückschlüsse
für die Gestaltung des neuen Depolymerisationsverfahrens ermöglichen.
Die Darstellung des im Zentrum der Arbeit stehenden neuen Depolymerisationsverfahrens
im Kapitel 4 beginnt mit der Beschreibung der verwendeten Versuchsanlage
sowie einem Überblick über die durchgeführten Analysen. Die im Rahmen der
Forschungen erhaltenen Ergebnisse werden anschließend dargelegt, um darauf aufbauend
ein komplettes Anlagenkonzept für eine mögliche technische Realisierung zu entwickeln.
Den Abschluss der Arbeit bildet eine detaillierte Bewertung der Wirtschaftlichkeit des
Verfahrens im Kapitel 5.

2 CHARAKTERISIERUNG KOHLEFASERVERSTÄRKTER
KUNSTSTOFFE
- 5 -
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe gehören allgemein zu den faserverstärkten Werkstoffen.
Diese bestehen in ihrem prinzipiellen Aufbau aus einem Faseranteil und einer Matrix, in
die die Fasern eingebettet sind. Für beide Komponenten kommen verschiedene
Materialien in Betracht. Die größte Bedeutung auf Seiten der Fasern haben Glasfasern,
Aramidfasern und Kohlefasern erlangt, zusätzlich werden u.a. Boron- und Siliziumcarbid-Fasern
für Spezialanwendungen hergestellt. Bei den Matrixmaterialien dominieren
Kunststoffe, daneben sind Verbunde mit keramischer oder metallischer Matrix bekannt.
Im Zentrum der Untersuchungen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten
werden, stehen im Bereich der Fasern die Kohlefasern. Auf Seiten der Matrix werden
zwei Kunststoffarten – die Epoxidharze und Polyamide – genauer betrachtet. [1]
Bei faserverstärkten Werkstoffen sind weiterhin die Bereiche der Kurzfaserverstärkung
und der Endlosfaserverstärkung zu unterscheiden. Ersterer ist dadurch gekennzeichnet,
dass in den Kunststoff Verstärkungsfasern einer definierten Länge, typischerweise im
Bereich von einigen 100 µm bis zu einigen cm eingebracht werden. Letzterer zeichnet
sich dadurch aus, dass im Kunststoff Langfasern in Form von Faserbündeln oder
Gewebematten eingebettet sind.
Die vorliegende Arbeit betrifft sowohl den Bereich der Endlosfaser- als auch den der
Kurzfaserverstärkung. In ersterem wird betrachtet, ob Fasern aus Kohlefasergewebe, das
unter Verwendung von Endlosfasern und Epoxidharz hergestellt wurden, mit einem
speziellen Verfahren wiedergewonnen werden können. Auf der anderen Seite sollen die
Recycling-Kohlefasern in Form von Kurzfasern wieder in einem kurzfaserverstärkten
Kunststoff eingesetzt und ihre dafür vorhandene Qualität eingeschätzt werden.
Im Folgenden wird eine Charakterisierung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen
vorgenommen. Dazu werden im Abschnitt 2.1 die Kohlefasern mit ihrem strukturellen
Aufbau und den existierenden Herstellungsverfahren dargestellt. Daran schließt sich ein
Überblick über die verschiedenen Matrixmaterialien im Abschnitt 2.2 an. Abschließend
wird auf die Faser-Matrix-Kopplung als wichtiger Einflussfaktor für die Eigenschaften
des Verbundwerkstoffs im Abschnitt 2.3 eingegangen.

2 Charakterisierung kohlefaserverstärkter Kunststoffe - 6 -
2.1 KOHLEFASERN
Elementarer Kohlenstoff kann in der Natur in zwei wesentlichen Modifikationen, Grafit
und Diamant, vorkommen. 2 Im Diamant ist jedes Kohlenstoffatom tetraedrisch von vier
anderen umgeben. Dagegen ist Grafit durch eine Schichtstruktur, bestehend aus planaren
Schichten, charakterisiert, in denen jedes Kohlenstoffatom mit drei anderen verknüpft ist.
Diese strukturellen Unterschiede haben unterschiedliche Eigenschaften beider Modifikationen
zur Folge, vergleiche Tabelle 1. [1]
Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von Grafit und Diamant [1]
Parameter Einheit
Grafit
(in Schichtebene)
Diamant
Zugfestigkeit GPa 150 90
Elastizitätsmodul GPa 1020 20
Dichte g/cm³ 2,26 3,51
Die theoretischen Grenzwerte liegen für die Grafitstruktur in der Schichtebene deutlich
über denen von Diamant, für den Elastizitätsmodul weist Grafit sogar den höchsten Wert
aller bekannten Stoffe auf. Da Kohlefasern in ihrer physikalisch-chemischen Struktur aus
einzelnen Grafitschichten aufgebaut sind, besitzen sie als Konstruktionswerkstoff
herausragende mechanische Eigenschaften. Im Folgenden wird detailliert auf diese
Eigenschaften der Fasern eingegangen (2.1.1). Im Anschluss daran wird dargestellt, auf
welchen Wegen Kohlefasern hergestellt werden und dabei die Grafitstruktur erhalten
(2.1.2).
2.1.1 Eigenschaften
Der Einsatz von Kohlefasern erfolgt primär aufgrund ihrer herausragenden mechanischen
Eigenschaften. Die in diesem Zusammenhang wichtigsten Kenngrößen stellen die
Zugfestigkeit und das Elastizitätsmodul dar. Zusätzlich zeichnen sich Kohlefasern
gegenüber vergleichbaren Werkstoffen durch mehrere Eigenschaften aus. In der
folgenden Tabelle findet sich eine Auswahl wichtiger Eigenschaften der Kohlefasern.
2 Daneben existiert noch die technische Modifikation der Nanotubes, welche lang gestreckte oder runde, Kohlenstoffmoleküle
mit Hohlkugelgestalt darstellen.