Vom Abfall zur Kohlenstofffaser der nächsten Generation
Neues chemisch entwickeltes Lignin führt zu stärkeren, leichteren Kohlenstofffasern und besseren recycelten Kunststoffen
Forschungsarbeiten der Washington University in St. Louis könnten schon bald zu leichteren, stärkeren Kohlefasermaterialien und stärkeren Kunststoffen mit geringeren Umweltauswirkungen führen. Der Hauptbestandteil, der für diese Verbesserungen notwendig ist, ist Lignin, eine Verbindung, die für die meisten Pflanzen unerlässlich ist, von der Industrie jedoch als Abfallprodukt betrachtet wird.
Neue Forschungsergebnisse aus der Gruppe von Joshua Yuan, Professor und Lehrstuhlinhaber für Energie-, Umwelt- und Chemietechnik an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, könnten schon bald zu noch leichteren und stärkeren Kohlenstofffasern - und stärkeren Kunststoffen - führen, und zwar unter Verwendung eines Produkts, das derzeit noch als Abfallprodukt gilt.
WashU/Jason Yuan
Der Schlüssel zur Erschließung des Potenzials von Lignin war die chemische Veränderung einiger seiner Eigenschaften. High Molecular Weight Esterified Linkage Lignin (HiMWELL) wurde von der Gruppe von Joshua Yuan, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Energie-, Umwelt- und Chemietechnik an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, entwickelt.
Die Forschungsergebnisse wurden am 11. August in der Zeitschrift Matter veröffentlicht .
Die Forscher wussten, dass das neu entwickelte HiMWELL-Lignin in Kombination mit Polyacrylnitril (PAN) ein Vorläufer für eine bessere Kohlenstofffaser sein könnte und dass es auch die Entwicklung von recycelbaren Kunststoffen mit besseren Eigenschaften ermöglichen könnte.
Kohlenstofffasern sind bereits dafür bekannt, dass sie ein starkes und steifes, aber dennoch leichtes - und hochwertiges - Material sind. Es wird als strukturelle Verstärkung in allen möglichen Bereichen eingesetzt, von Tennisschlägern bis hin zu Flugzeugen, und Kohlefaserrahmen reduzieren das Gewicht und verbessern die Sicherheit in hochwertigen Fahrzeugen. In einigen der schnellsten Super- und Hypercars wurde es bereits an allen möglichen Stellen eingesetzt.
Yuan hat in seinen früheren Arbeiten drei Haupthindernisse für den Einsatz von Lignin ausgemacht: Weder die chemische Struktur noch das Molekulargewicht von Lignin sind einheitlich, so dass es sich nur schwer mit anderen Polymeren kombinieren lässt. Außerdem weist es eine hohe Anzahl von OH-Gruppen auf, eine reaktive Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff, die Wasser anzieht - nicht gerade ideal für den Aufbau eines starren Materials wie Kohlenstofffasern. Diese Entdeckungen inspirierten Yuan und Jinghao Li, einen leitenden Wissenschaftler an der Universität Washington, dazu, die Ligninstrukturen neu zu gestalten.
Durch die Entwicklung einer Technik, mit der diese Eigenschaften chemisch verändert werden können, so Yuan, "haben wir wirklich eine Art von Lignin geschaffen, die sehr einzigartig ist".
In Kombination mit PAN wies die HiMWELL-basierte Kohlenstofffaser eine Rekordzugfestigkeit auf und zeigte bessere mechanische Eigenschaften als herkömmliche Kohlenstofffasern. Als HiMWELL zu recycelbaren Polymermischungen hinzugefügt wurde, verbesserte es die mechanischen Eigenschaften und den UV-Schutz.
"Endlich haben wir einen technologischen Weg für die Verwendung von Lignin für Kohlenstofffasern gefunden", so Yuan. Und vielleicht wird aus diesem Abfall eines Tages die Hülle eines Autos".
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