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Vortrag (20 Min. Vortrag, 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Thermische Konversion von Lignin/PAN basierten Precursorfasern zu Kohlenstofffasern und der Einfluss auf die Porosität

Donnerstag (19.09.2019)
17:00 - 17:30 Uhr Eselstall

Kohlenstofffasern (carbon fibres, CF) sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus zahlreichen Ingenieursdisziplinen nicht mehr wegzudenken. Bei der CF-Entwicklung konzentriert man sich dabei im Leichtbausinne auf die Erhöhung der Festigkeit sowie des E-Moduls. Der konventionelle Fertigungsprozess von CF ist daher darauf ausgelegt, innere Defekte in CF zu eliminieren. CF bieten jedoch auch enorme Potentiale für völlig neue Anwendungen, wie etwa Energiespeichersysteme der nächsten Generation.


Der Schwerpunkt dieser Studie liegt daher auf der Entwicklung von CF mit einem interkonnektierenden Porensystem bestehend aus Nano-, Mikro-, Meso- und Makroporen. Derartige CF weisen eine hohe spezifische Oberfläche auf und können vielfältig eingesetzt werden, z. B. als Kathodenmaterial in Batteriesystemen. Bei der Herstellung solcher CF muss die innere poröse Struktur über zusätzliche Prozessschritte gezielt offen gelegt werden. Die homogene Struktur des Ausgangsmaterials Polyacrylnitril (PAN) muss gezielt modifiziert werden, um in der Precursorfaser die gewünschte hierarchische poröse Struktur zu erzeugen. Biobasierte Rohstoffe mit hoher Kohlenstoffausbeute wie Lignin oder Cellulose sind dafür gut geeignet. Die Inhomogenität etwa von Lignin führt zu einer erhöhten intermolekularen Fehlstellenbildung bei der thermochemischen Umwandlung der Precursorfasern zu CF. Temperatur, Verstreckung und Verweilzeit sind entscheidende Prozessparameter, um die CF-Strukturbildung während der Umwandlung zu beeinflussen. Die oxidative Stabilisierung der Precursorfasern ist durch die Mechanismen Zyklisierung, Dehydrierung und Oxidation geprägt. Im anschließenden Carbonisierungsprozess unterliegt die Faser bei Temperaturen bis zu 1500 °C Eleminierungs- und Kondensationsreaktionen. Dabei entstehen gasförmige Abspaltprodukte, welche Fehlstellen im Atomgefüge hinterlassen.


Die vorliegende Studie untersucht den Einfluss verschiedener Ligninkonzentrationen und -modifikationen sowie der o.a. Prozessparameter auf die Porenbildung in CF. Die Zusammenhänge zwischen diesen Herstellungsparametern und der Struktur der CF sowie den resultierenden mechanischen und nicht-mechanischen Eigenschaften wird durch eine Kombination geeigneter Analysemethoden aufgezeigt und interpretiert.

 

Sprecher/Referent:
Benjamin Richter
Technische Universität Dresden