Neue Präkursoren für Carbonfasern auf Basis von Cellulose

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Neue Präkursoren für Carbonfasern auf Basis von Cellulose

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Cellulose-basierte Carbonfasern (CF) konnten über zwei unterschiedliche Wege hergestellt werden. Bei der Ausrüstung kommerzieller Celluloseregeneratfasern mit Carbonisierungshilfsmitteln (Route 1) wurde unter anderem erstmalig ein neues Additiv erfolgreich angewendet. Bei der zweiten Route wurden im Trocken-Nass-Spinnverfahren zum ersten Mal Cellulosederivate aus ionischen Flüssigkeiten (IL) zu Cellulose(blend)regeneratfasern versponnen, welche anschließend zu CF verarbeitet wurden. Alle Systeme wiesen das für die Faserherstellung erforderliche strukturviskose Fließverhalten auf. Derivatsynthese und Lösungsherstellung wurden hochskaliert, um unter Laborbedingungen im Trocken-Nass-Spinnverfahren Präkursorfasern herzustellen. Für alle drei Systeme konnten stabile Spinnbedingungen etabliert werden. Die so hergestellten Präkursorfasern wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Weitwinkelröntgendiffraktion (WAXS), Doppelbrechung und mechanischer Prüfung untersucht. Insgesamt war die für eine kontinuierliche Carbonisierung erforderliche Festigkeit bei allen hergestellten Präkursoren gegeben. Kristallinität, Gesamtorientierung und Hermans Orientierungsfaktor für die kristalline Orientierung der Präkursorfasern korrelierten jeweils mit den gewählten Spinnbedingungen. Wie durch thermogravimetrische Analyse mit gekoppelter Emissionsgasanalyse (Infrarot- und Massenspektroskopie) gezeigt, konnten durch die gewählten Funktionalisierungen bzw. durch die Ausrüstung der Fasern die Carbonisierungsausbeuten der Cellulose-basierten CF deutlich erhöht und die Emissionen kohlenstoffhaltiger, flüchtiger Gase reduziert werden. Die Carbonisierung erfolgte in diskontinuierlichen und kontinuierlichen Versuchen. Die resultierenden CF wurden mittels REM, Elementaranalyse (EA), WAXS, Raman-Spektroskopie und mechanischer Prüfung untersucht. Hierbei erfolgte eine Korrelation mechanischer und prozesstechnischer Parameter mit strukturellen Eigenschaften der CF.