Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) werden in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Sportgeräteindustrie eingesetzt. Ihr Recycling bleibt jedoch ein großes Problem. In einer aktuellen Studie demonstrierten Forscher der Waseda-Universität ein neuartiges elektrisches Impulsverfahren mit Direktentladung für die effiziente, effektive und umweltfreundliche Trennung von CFKs zur Gewinnung hochwertiger Kohlenstofffasern. Diese Arbeit soll den Weg für eine nachhaltigere Welt ebnen.
Die Welt schreitet rasant auf eine entwickelte Zukunft zu, und kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) spielen eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung des technologischen und industriellen Fortschritts. Diese Verbundwerkstoffe sind leicht und äußerst fest, was sie für Anwendungen in verschiedenen Bereichen, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil, Windenergieerzeugung und Sportausrüstung, wünschenswert macht.
Das Recycling von CFK stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da die Abfallentsorgung ein dringendes Problem darstellt. Herkömmliche Recyclingmethoden erfordern eine Hochtemperaturerhitzung oder chemische Behandlungen, was zu einer hohen Umweltbelastung und erhöhten Kosten führt. Darüber hinaus war es eine Herausforderung, hochwertige Kohlenstofffasern zurückzugewinnen. In diesem Zusammenhang wurde die elektrohydraulische Fragmentierung als vielversprechende Option vorgeschlagen. Bei dieser Technik werden intensive Stoßwellenimpulse, die durch Hochspannungsentladungsplasmen erzeugt werden, entlang der Grenzflächen verschiedener Materialien angelegt, um die verschiedenen Komponenten zu trennen.
Obwohl diese Methode lukrativ ist, können wir es besser machen? Um diese Frage zu beantworten, hat ein Forscherteam der Waseda-Universität unter der Leitung von Professor Chiharu Tokoro vom Department of Creative Science and Engineering, zu dem Keita Sato, Manabu Inutsuka und Taketoshi Koita gehören, eine neuartige elektrische Impulsmethode mit direkter Entladung entwickelt CFK effizient recyceln. Ihre Ergebnisse wurden am 30. November 2024 in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.
Tokoro spricht über die Motivation hinter ihrer jetzigen Arbeit und erklärt: „In unseren früheren Studien hatten wir bereits Forschungskompetenz in der Erzeugung von Stoßwellen in Wasser mithilfe elektrischer Impulsphänomene aufgebaut, um schwer zu verarbeitende Materialien effizient zu fragmentieren. In Anwendungen wie Bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien haben wir herausgefunden, dass die direkte Entladung, bei der die Joule-Erwärmung und die Dampfausdehnung des Materials selbst genutzt werden, für eine hocheffiziente Trennung effektiver ist als die Verwendung von Stoßwellen. Wir wenden diesen Ansatz nun auf CFRP an und gehen davon aus, dass damit mehr erreicht werden kann effiziente Trennung im Vergleich zur aktuellen Methoden.“
Die elektrische Impulstechnik mit direkter Entladung nutzt die Erzeugung von Joule-Wärme, die Erzeugung von thermischer Spannung und die Expansionskraft aufgrund der Plasmaerzeugung, ohne dass eine Erwärmung oder Chemikalien erforderlich sind. Die Forscher verglichen diese Methode mit der elektrohydraulischen Fragmentierung, indem sie die entsprechenden physikalischen Eigenschaften der gewonnenen Kohlenstofffasern untersuchten, darunter Länge, Zugfestigkeit, Harzhaftung und Strukturabbau, sowie die Energieeffizienz im Hinblick auf die Fasertrennung. Sie fanden heraus, dass ihre neue Technik für die Kohlenstofffaserrückgewinnung effektiver ist. Es bewahrt relativ längere Fasern mit höherer Festigkeit und trennt CFKs präzise in einzelne Fasern, ohne dass Harzreste auf der Oberfläche zurückbleiben.
Darüber hinaus verbessert der Direktentladungsansatz die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen um mindestens den Faktor 10, reduziert gleichzeitig die Umweltbelastung und fördert die Ressourcennutzung.
Daher wird erwartet, dass diese Technologie das CFK-Recycling beschleunigen und erheblich zur Entwicklung einer nachhaltigen Gesellschaft beitragen wird. Laut Tokoro „haben unsere Forschungsergebnisse zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, etwa im Zusammenhang mit dem Recycling von CFK aus verbrauchten Flugzeugkomponenten, Autoabfällen und Rotorblättern von Windkraftanlagen. Somit unterstützt die vorliegende Innovation die Nachhaltigkeit in allen Branchen, indem sie eine effiziente Ressourcenrückgewinnung ermöglicht und die Umweltbelastung reduziert.“
Insgesamt wird erwartet, dass diese Arbeit die Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung in den Bereichen Industrie, Innovation und Infrastruktur (SDG 9) und verantwortungsvoller Konsum und Produktion (SDG 12) vorantreibt.