AntiStatic - Hochsteife antistatische Composite-Leitungssysteme für den Fluidtransport in Nieder- und Hochdruck-Anwendungen multipler Branchen; Teilvorhaben: Flechtpultrusion und LCA

Abstract

Im Rahmen des Projekts AntiStatic wurde am Fraunhofer Institut für Gießerei-, Composite-, und Verarbeitungstechnik IGCV die Entwicklung eines Flechtpultrusionsprozesses zur Herstellung von antistatischen Leitungssystemen untersucht. Die Grundlagenuntersuchungen zur Injektion gefüllter Epoxidharze, insbesondere mit Füllstoffen basierend auf Kohlenstoffnanoröhren, lieferten wichtige Erkenntnisse für das Design eines optimierten Werkzeugsystems. Ein geeignetes Harzsystem wurde in Kooperation mit den Projektpartnern definiert, um den mechanischen Anforderungen und den spezifischen Verarbeitungsbedingungen gerecht zu werden. Die Dispersion des Füllstoffes im Harzsystem erwies sich als entscheidend für die elektrischen Eigenschaften der Endprodukte. Verschiedene Dispersionsmethoden, einschließlich Ultraschall- und Hochscher-Dispergierung, wurden evaluiert. Laboruntersuchungen belegen, dass der Füllstoffgehalt erheblichen Einfluss auf die Viskosität und die mechanischen Eigenschaften des Harzes hat. Die Flachprofilpultrusion diente als erste Geometrievariante zur Validierung der Verarbeitbarkeit des Harzsystems. Anschließend wurde der Flechtpultrusionsprozess für die drei Rohrgeometrien erfolgreich entwickelt und optimiert. Die antistatischen Eigenschaften der produzierten Bauteile wurden durch die Variation von Füllstoffanteilen und Prozessparametern, einschließlich Abzugsgeschwindigkeit und Flechtwinkel, optimiert. Die erfolgreiche Inbetriebnahme von drei Rohrgeometrien mit unterschiedlichen Außendurchmessern und Wandstärken demonstriert die Robustheit des entwickelten Flechtpultrusionsprozesses. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Anforderungen an die Oberflächenrauheit als auch an den spezifischen Widerstand erreicht werden konnten. Anhand einer begleitenden Ökobilanzierung und Kostenanalyse wurden das Treibhausgaspotenzial und die Kosten in der Herstellung eines demonstrativen Leitungssystems ermittelt und mit dem aluminiumbasierten Stand der Technik verglichen. Es konnte eine Reduktion des Treibhausgaspotenzials durch das AntiStatic-Leitungssystem ermittelt werden, bei jedoch höheren Herstellungskosten. Insgesamt wurde somit in AntiStatic ein effizientes Verfahren zur Herstellung von antistatischen Pultrusionsbauteilen etabliert, das für verschiedene industrielle Anwendungen von Bedeutung ist. Datei-Upload durch TIB As part of the AntiStatic project, the Fraunhofer Institute for Casting, Composites and Processing Technology IGCV developed a PulBraiding process for the production of the antistatic fluid transport systems. The preliminary research into the injection and impregnation methods of filled epoxy resins, based on carbon nanotubes (CNT), yielded significant insights that informed the design of an optimized tool system. A suitable resin system was defined in collaboration with the project partners to meet the required mechanical specifications and the specific processing conditions. The dispersion of the filler within the resin system was identified as a critical factor influencing the electrical properties of the final products. Various dispersion techniques, including ultrasonic and high-shear dispersion, were evaluated. The results of laboratory tests have demonstrated that the filler content has a considerable impact on the viscosity and mechanical properties of the resin. The initial geometry, a flat profile, served to validate the processability of the resin system. Subsequently, the braiding pultrusion process for the three pipe geometries was successfully developed and optimized. The antistatic properties of the components produced were optimized by varying the filler content and process parameters, including the pulling speed and braiding angle. The successful commissioning of three pipe geometries with different outer diameters and wall thicknesses demonstrates the robustness of the developed process. The results show that both the requirements for surface roughness and the specific resistance were achieved. Based on a life cycle assessment and cost analysis, the global warming potential and the costs of manufacturing a demonstrative piping system were determined and compared with the aluminum-based state of the art. A reduction of the global warming potential of the antistatic piping system was determined, but with higher manufacturing costs. Overall, AntiStatic has established an effective process for the production of AntiStatic pultrusion profile, which is important for various industrial applications.