WIR! - WIRreFa - V1.3 - Herstellung von Produkten aus recycelten Fasern; Teilvorhaben: WIR! - WIRreFa - V1.3c - Gitterstrukturen aus rCF-Hybridgarnen auf Basis der Multiaxial-Kettenwirktechnik für die Betonbauteilherstellung

Abstract

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung innovativer technologischer Verfahren zur Wiederverwertung von rezyklierten Carbonfasern (rCF) für den Einsatz im Bauwesen. Im Fokus der Arbeiten stand zum einen die Entwicklung und Herstellung von rCF-Hybridgarnen aus den CF-Rezyklaten und zum anderen deren Weiter-verarbeitung zu konsolidierten Gitterstrukturen für den Einsatz als Betonbewehrung. Damit wird ein wesentlicher Beitrag für einen verantwortungsbewussten Umgang mit wertvollen Ressourcen sowie zur Etablierung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft für Faserverbundwerkstoffe mit Fokus in der Region Elbtal Sachsen geleistet. Im Bereich der Garnentwicklung wurden neuartige und prozesssichere Verfahren zur Herstellung von rCF-Hybridgarnen aus rezyklierten CF-Fasern und Thermoplastfasern entwickelt, technologisch-konstruktiv umgesetzt und erprobt. Ferner wurden die Verarbeitungsgrenzen gegenüber bisherigen Verfahren deutlich erweitert, sodass rCF-Hybridgarne bis zu einer Feinheit von 7 ktex realisierbar sind und dabei gute strukturmechanische Kennwerte (mittlere Zugfestigkeit > 10 cN/tex), eine hohe Gleichmäßigkeit und minimale Faserschädigung (geringe Garn-Haarigkeit) aufweisen. Für die Weiterverarbeitung zu Gitterstrukturen mittels Kettenwirktechnik wurden innovative Methoden zur Gewährleistung einer schädigungsarmen Verarbeitung und zur Minimierung des Faserflugs entwickelt und umgesetzt sowie die relevanten Maschinenkomponenten für die Garnzuführung und den Maschenbildungs-prozess modifiziert und an die Charakteristik der im Vergleich zu den CF-Garnen des abZ-Referenztextils voluminöseren rCF-Hybridgarne angepasst. Zur Konsolidierung der hergestellten rCF-Gitterstrukturen wurden die Prozessketten zur Tränkung und zur Trocknung/Härtung basierend auf den etablierten Technologien im Textilbetonsektor ebenfalls einer grundlegenden Überarbeitung unterzogen, sodass über die Kombination aus Tränkungsmittel, teilweisem Aufschmelzen des Thermoplastanteils im rCF-Hybridgarn und einer angepassten Temperaturführung ausgehärtete Bewehrungsgitter mit maximalen Festigkeits- und Steifigkeitskennwerten hergestellt werden konnten (Zugfestigkeiten bis ca. 800 MPa, E-Modul bis ca. 60 GPa am Verbundquerschnitt). Im Fazit zeigen die Projektergebnisse deutlich das hohe Potential recycelter Carbonfasern für eine erneute Verwendung am konkreten Beispiel für den Einsatz als Bewehrungsstrukturen in Betonbauteilen und damit die hohe ökologische und wirtschaftliche Relevanz für deren Rückführung in den Stoffkreislauf. Die entwickelten Prozessketten zur rCF-Hybridgarn- und Gitterherstellung orientieren sich sehr nah an industriellen Standards und demonstrieren die Machbarkeit für eine Überführung zu den Akteuren in der regionalen Wirtschaft in den involvierten Branchen der Recyclingunternehmen, Textilhersteller, Maschinenbauer und der Endanwender im Bauwesen. Im Zuge der Projektarbeiten wurden außerdem zahlreiche weiterführende Aspekte im Themenfeld recycelter Faserverbundwerkstoffe aufgegriffen, wie bspw. Fragen der Ökobilanzierung sowie die Einbeziehung dieser neuen Thematik in Forschung und Lehre an den beteiligten Forschungsstellen. Die auf Garn- und Textilebene herausgearbeiteten Struktur-Eigenschafts-Zusammenhänge sowohl für rCF-Hybridgarne unterschiedlicher Feinheiten als auch für die daraus hergestellten Gitterstrukturen bilden systematische und methodische Grundlagen, die zum einen auf weitere Rezyklat-/Matrixkombinationen und zum anderen auf eine Vielzahl möglicher Gitterstrukturaufbauten und dabei einzusetzender Tränkungs-/Konsolidierungssysteme übertragbar sind. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen damit eine solide Basis für aufbauende FuE-Arbeiten auf diesem Gebiet dar.