Graphenoxid-Partikel als intrinsische Sauerstoffquelle und Templat für eine verbesserte Carbonfaser-Herstellung.

• Antragsteller: Dr. Christian Eberhard Halbig
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558321509

Kohlenstofffasern (C-Fasern) werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und chemischen Beständigkeit in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt, in denen es auf Gewichtseinsparung, Emissionsreduzierung, Langlebigkeit oder Festigkeit ankommt. Der Bedarf an diesen Werkstoffen steigt stetig, was die Forschung an CFK zu einem wichtigen Gebiet macht. C-Fasern werden hauptsächlich durch Nassspinnen von Polymerlösungen auf der Basis von Polyacrylnitril (PAN) und anschließende thermische Umwandlung (Stabilisierung oder Oxidation an Luft bei 200-300 °C und anschließende Carbonisierung unter Sauerstoffausschluss bei 900-1600 °C) hergestellt. Dieser Prozess ist jedoch sehr energieintensiv, wobei ca. 56% der Kosten der gesamten thermischen Umwandlung auf die Stabilisierung entfallen. Ziel dieses Projektes ist es, den Stabilisierungsprozess durch Einführung einer intrinsischen Sauerstoffquelle in die PAN-Rohfaser zu beschleunigen und somit einen energieeffizienteren Stabilisierungsprozess zu ermöglichen. Hierfür wollen wir primär verschiedene Graphenoxid (GO)-Derivate einsetzen, da diese in dem genannten Temperaturbereich reaktive Sauerstoffspezies (RSS) freisetzen können. Aus den gewonnenen Daten wollen wir die grundlegenden chemisch-strukturellen Zusammenhänge ableiten, die ablaufenden Reaktionen zwischen PAN und RSS mechanistisch untersuchen und darüber hinaus herausfinden, wie der Templat-Effekt von in-situ gebildetem Graphen dem thermisch umgewandelten Polymer zu höherer Festigkeit verhelfen kann. Folgende Fragstellungen ergeben sich aus dem Projektansatz: a. Was ist die beste Methode, um GO-Partikel homogen in einer PAN-basierten Polymerlösung bzw. PAN-Matrix zu dispergieren? b. Wie muss das GO beschaffen sein, um RSS für eine erfolgreiche Umwandlungsreaktion im idealen Temperaturbereich freizusetzen? c. Können GO-Hybridmaterialien mit weiteren sauerstoffreichen Additiven die Bereitstellung von RSS verbessern? d. Kann in situ gebildetes Graphen als Templat für eine verbesserte Kristallisation des späteren C-Fasern dienen? e. Welche Auswirkungen haben die modifizierten Prozesse auf die mechanischen Eigenschaften von C-Fasern? Die Einarbeitung von GO in PAN-basierte Strukturen vor dem Nassspinnen der eigentlichen Fasern stellt einen bisher unzureichend erforschten Ansatz in der CF-Forschung dar. Darüber hinaus ist der hier verfolgte Ansatz der kontrollierten in-situ Erzeugung von RSS zur Stabilisierung von Rohfasern einzigartig. Die Forschungsergebnisse werden jeweils mit den neuesten physikalischen und chemischen Charakterisierungsmethoden erzielt und sollen nicht nur zur Lösung technischer Probleme, sondern auch zum Verständnis der thermischen Umwandlungsprozesse beitragen und eine umweltfreundlichere Herstellung von CF ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen