Magazine März 2015

Die textile Welt im Blick: von grösster Vielfalt bis Carbonfasern

Kohlenstofffasern haben eine lange Geschichte. Bereits 1879 gelang dem Amerikaner Thomas Edison die Herstellung von Kohlenstofffäden, die er als Glühfaden in elektrische Glühlampen (Kohlenfadenlampen) einsetzte. Dieses Verfahren, das auf der Karbonisierung von Cellulosefasern beruht, meldete er noch im gleichen Jahr zum Patent an. In den 1960er-Jahren fanden Kohlenstofffasern in Form von Faserbündeln, Fasersträngen oder Multifilamentgarnen den Weg in die Luft- und Raumfahrt. Doch erst seit Mitte der 1970er werden sie industriell hergestellt und zu textilen Verstärkungsmaterialien weiterverarbeitet.

Was Kohlenstofffasern leisten

Durch ihre Eigenschaften lassen sich Kohlenstofffasern (Carbonfasern) vielseitig nutzen: Sie sind nicht nur relativ leicht und gleichzeitig sehr steif, sondern auch an chemischen Vorgängen weitgehend unbeteiligt, elektrisch leitend, thermisch stabil, unschmelzbar, biokompatibel und durchlässig für Röntgenstrahlen. Diese spezielle Kombination ermöglicht einen Einsatz in den unterschiedlichsten Bereichen. Zurückzuführen sind diese praktischen Merkmale auf die chemischen Bindungen der Kohlenstoff-Atome in der grafitähnlichen Struktur der Fasern.

Ohne Kohlenstofffasern wären viele der heute bestehenden Konstruktionen der Luft- und Raumfahrt nicht zu realisieren gewesen. Mit Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff macht zudem Flugzeuge leichter und sparsamer im Verbrauch. Industrielle Anwendungen dieser Fasern sind außerdem Walzen für die Papier- und Druckindustrie, für Anwendungen im Bereich Freizeit stehen Sportgeräte (Tennisschläger, Golfschläger-Schäfte, Fahrradrahmen, Masten für Segelboote und Surfbretter, Helme und Angelruten). Als Heizleiter werden in vielen Bereichen ebenfalls bevorzugt flexible Flächengebilde aus Kohlefasern eingesetzt, die den Vorteil haben, dass Kohlefasern bei der Erwärmung einen negativen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

In den meisten Fällen entstehen Kohlenstofffasern aus einer Polyacrylnitril-Basis. Die so hergestellten Fasern haben sich im Markt durchgesetzt – heute entfallen darauf ca. 90% aller Kohlenstofffasern. Für die Verarbeitung bieten sich verschiedene Verfahren an. Neben Weben, Flechten, Sticken und Wirken eignen sie sich auch für die Herstellung von Multiaxial-Gelegen.

Die Einsatzmöglichkeiten der klassischen Kohlenstofffasern sind sehr vielfältig und das Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft.

Aktivkohlefasern – viele Anwendungsmöglichkeiten

Im Vergleich zu den klassischen Kohlenstofffasern sind Aktivkohlefasern relativ jung. Das Ausgangsmaterial, die Aktivkohle, setzt sich aus Steinkohle, Braunkohle, Holzkohle und Torfkohle sowie Kokosnussfasern zusammen. Aktivkohle zeichnet sich durch das aktive Porensystem aus. Das entsteht, indem die flüchtigen Bestandteile der Komponenten mit 900 – 1.100 °C heißem Wasserdampf entfernt werden.
Dabei findet eine oxidierende Reaktion zwischen Kohlenstoff und Wasser an den Oberflächen des Kohlenstoffs statt, die auch Kohlenstoff von den Porenwänden entfernt – dieser Vorgang wird als Karbonisierung bezeichnet. Das Resultat ist verblüffend: Es bildet sich eine mikroskopisch feine innere Oberflächenstruktur. Ein Teelöffel Aktivkohle hat daher eine Oberfläche, die in etwa der Größe eines Fußballfeldes entspricht. Das bekannteste Einsatzgebiet sind vermutlich die Gasmasken in den beiden Weltkriegen. Eine Einlage aus Aktivkohle diente als Filter.

Mit der Herstellung von Fasern aus Aktivkohle ergibt sich nun ein schier unendliches Anwendungsspektrum. Aufgrund der teilweise sehr geringen Faserdurchmesser haben Aktivkohlefasern eine sehr hohe Adsorptionsgeschwindigkeit – ideale Voraussetzungen für den Einsatz zum Schutz gegenüber biologischen und chemischen Schadstoffen und Giften sowie Kampfstoffen. Aber auch Hausfrauen oder -männer freuen sich über die Erfindung von Aktivkohlefasern. Um zu verhindern, dass Putzlappen schlecht riechen, reicht üblicherweise schon eine Zumischung von ca. 20% Aktivkohlefaseranteil zu den üblichen Fasern aus.

Anwendungen in der Nonwovensindustrie

Kohlenstofffasern haben in der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ihr Verbrauch ist dadurch deutlich angestiegen und somit auch die Menge an Faserabfällen. Der Verschnitt bei der Herstellung von Automobilteilen aus Kohlenstofffaser-Textilien liegt, auch bei maximaler Effizienz, bei ca. 20 – 30%. Beim Recycling wird in Zukunft wahrscheinlich die Nonwovensindustrie eine wichtige Rolle spielen. Denn die recycelten Faserabfälle können nicht wieder in Faserform zurückgewonnen werden und kommen somit für die üblichen Verarbeitungsverfahren, wie z.B. das Weben, nicht in Betracht. Der Einsatz von CFK-Bauteilen (CFK steht für „carbonfaserverstärkter Kunststoff“), insbesondere in der Automobilindustrie, wird dazu führen, dass Prozesse zum Recycling dieser Bauteile (weiter-)entwickelt und industrialisiert werden. Auch hier wird die Nonwovensindustrie gefragt sein, die entstandenen Textilstücke aufzulösen und zu qualitativ hochwertigen Nonwovens zu verarbeiten.

Auch Aktivkohlefasern finden in Form von Vliesstoffen Anwendung in unterschiedlichen Bereichen: zum Beispiel als Einlagen in Gasmasken, Staubmasken und Masken mit geruchshemmender Wirkung, aber auch bei Industriefiltern, vor allem wenn es um Farbenherstellung, Pestizide und Filter für die Rüstungsindustrie geht.

Kardieren und Vernadeln von Kohlenstofffasern

Bei 100% Kohlenstofffasern steht das Kardieren noch in den Anfängen. Dabei sind die folgenden Punkte zu beachten: Es muss für eine sehr gute Absaugung gesorgt werden, da die dabei entstehenden Kohlenstoffstäube eine gesundheitliche Gefährdung darstellen können. Auch muss die Anlage speziell für diesen Zweck ausgelegt sein, um elektrische Kurzschlüsse auszuschließen, die durch den Faserstaub der leitenden Kohlenstofffasern entstehen könnten. Ein noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist die Tatsache, dass Kohlenstofffasern sehr glatt sind und zur Kardierung ein gewisser Grad an Kräuselung benötigt wird. Hier gibt es noch keine Lösung, die industriell umgesetzt werden kann.
Erfahrungsgemäß ist ein Anteil von gekräuselten „Transportfasern“ von ca. 30% erforderlich, um die Kardierung von Kohlenstofffasern industriell realisieren zu können.

Das Vernadeln von Kohlenstofffasern hingegen wird schon seit Jahrzehnten erfolgreich durchgeführt. Ein bekanntes Beispiel dafür sind die Bremsscheiben der Flugzeugindustrie. Hier kommen die unterschiedlichsten Nadeln von Groz-Beckert zum Einsatz – immer auf die speziellen Anforderungen angepasst: zum einen spezielle Nadelkonstruktionen, die in Zusammenarbeit mit dem Kunden entwickelt wurden, zum anderen Standardnadeln aus dem Produktportfolio von Groz-Beckert (ca. 1.700 Nadeltypen), die den Anforderungen bereits perfekt entsprechen.

Die Vernadelung zur Herstellung von Bremsscheiben aus Kohlenstofffasern wird in die Vor- und Hauptvernadelung unterteilt. Für die Vorvernadelung werden hauptsächlich Standardnadeln verwendet, die entweder mit konventionellen Kerben oder aber auch mit RF-Kerben ausgestattet sind.

Nadelbeispiele:

  1. 15x18x36x3 ½ C333 G 1002 / 601731
  2. 15x18x36x3 ½ R333 G 3007 / 607921

In der Hauptvernadelung, bei der es vor allem darauf ankommt, die Fasern von der horizontalen in die vertikale Z-Richtung umzuorientieren, werden spezielle Arbeitsteilgeometrien benötigt. Hier sind oftmals Tri STAR® und Cross STAR®-Nadeln im Einsatz.

Eine geeignete Nadel ist zum Beispiel die Type

15x16x36x3 C222 G 73012 / 609471.

Neuere Anwendungen von Kohlenstofffasern sind die Vernadelung von recycelten Carbonfaser-Composites, die momentan hauptsächlich in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Bei diesen Anwendungen werden stabile Nadeln eingesetzt, bei denen die Bruchgefahr minimal ist (Nadelbeispiel: 15x18x3 ½ R333 G 1002 / 600171).

Unter den zahlreichen Anwendungen von vernadelten Kohlenstofffasern verspricht ein Produkt besonders interessant zu werden: vernadelte Vliese, die Schutz- und Filtereigenschaften gegen chemische und biologische Waffen bieten. Diese werden im Militärbereich als Einlagevlies in Bekleidung verwendet. Wichtig ist dabei eine gute Drapierfähigkeit der Vliese. In der Regel werden für deren Herstellung Standardnadeln mit feinen Arbeitsteilen eingesetzt:

Nadelbeispiel: 15x18x40x3 R222 G 3037 / 603721

Weitere Anwendungsgebiete:

  1. Hitzeschutz (Bekleidung für Schweißer, Feuerwehrleute und Rennfahrer; ebenso Flammschutzeinrichtungen und Isolierungen für Automobile, Züge und Flugzeuge)
  2. Hitzeschutz (Bekleidung für Schweißer, Feuerwehrleute und Rennfahrer; ebenso Flammschutzeinrichtungen und Isolierungen für Automobile, Züge und Flugzeuge)
  3. Dichtungen (Hochtemperaturanwendungen)
  4. Heißgasfilter (z. B. Zement- und Stahlindustrie)
  5. Als Halbzeug für viele Composite-Anwendungen (drapierfähige Vliese für Ecken und als Zwischenlage in Karbongelegen)
  6. Gasabsorberfilter aus Kohlefasern mit poröser Oberfläche
Oft werden Kohlefasern auch in Mischungen verwendet (Faser- und/oder Lagenmischung) mit synthetischen Fasern und/oder Mineralfasern. Bei der Vernadelung ist es daher immer wichtig, die Kohlefaser sehr schonend zu behandeln, um zu verhindern, dass sie sich in Kohlestaub verwandelt. Folglich sollten ähnliche Nadeln wie bei anderen spröden Fasern (z. B. Glas- oder Keramikfasern) zum Einsatz kommen.