Neuartige oxidationsstabile, kohlenstoffbasierte multifibrilläre Fasern mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften über das Elektrospinnen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Greiner; Dr. Günter Motz
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455984818

Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff- und Keramikfasern werden im Wesentlichen von Defekten bestimmt. Im Gegensatz zu den meisten Fasern aus Polymeren und Metallen führt bei spröden Materialien bereits ein Defekt zum katastrophalen Versagen. Dadurch sind die theoretisch möglichen Festigkeitswerte nicht annähernd erreichbar. Somit bietet sich einerseits die Möglichkeit die Herstellung der Fasern hinsichtlich Defektvermeidung weiter zu verbessern und andererseits den Faserdurchmesser zu verringern, da dann die Defekthäufigkeit auf die Faserlänge bezogen abnimmt. Eine weitere Steigerung ist zu erwarten, wenn es gelingt derartige Nanofasern ideal parallel zueinander auszurichten und zu Bündeln zusammenzufassen und kontinuierlich zu pyrolysieren. Am Lehrstuhl Makromolekulare Chemie II der Universität Bayreuth wurde bereits ein Verfahren entwickelt, um aus modifiziertem PAN extrem hochfeste multifibrilläre Polymernanofasern über das Elektrospinnen darzustellen. Da PAN der am häufigsten verwendete Precursor zur Herstellung von Kohlenstofffasern ist, soll als erster Forschungsschwerpunkt im beantragten Vorhaben dieser zur Erzeugung von defektarmen, aus vielen Nanofibrillen bestehenden C-Fasern über das Elektrospinnen, Härtung und abschließende kontinuierliche Carbonisierung genutzt werden. Der entscheidende Nachteil der C-Fasern ist die bereits bei 400 °C einsetzende Oxidation. Daher sollen die bei der Synthese der C-Fasern gewonnen Erkenntnisse genutzt werden, um das Hauptziel des Vorhabens, die Erzeugung einer hochfesten und wesentlich oxidationsbeständigeren multifibrillären Faser, zu erreichen. Diese Untersuchungen basieren auf Vorarbeiten am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth, indem PAN mit Silazanen kombiniert wird. Die wiederum über das Elektrospinnen erzeugten multifibrillären C/SiCN Fasern, sollten nach der Härtung und kontinuierlicher Pyrolyse aus Kohlenstoff und passivierendem Si3N4 bestehen, sehr hohe Festigkeitswerte aufweisen und ausreichend oxidationsstabil sein. Derartige kontinuierlich hergestellte Fasertypen sind aber weder für Kohlenstoff- noch für Keramikfasern bekannt. Sie stellen eine neue Generation dar und sollen die mechanischen Eigenschaften der kommerziellen C- und SiC-Fasern übertreffen. Die notwendigen Expertisen bzgl. der Synthese und Modifizierung von entsprechenden Polymeren, deren Verarbeitung zu multifibrillären Fasern über das Elektrospin¬nen, die Härtung und Pyrolyse sind an den beiden beteiligten Forschungseinrichtungen er Universität Bayreuth vorhanden und durch entsprechende Veröffentlichungen dokumentiert. Dieses komplementäre Wissen soll im beantragten Vorhaben zusammengeführt und miteinander kombiniert werden.Abschließend soll das Potential der textiltechnisch sehr gut verarbeitbaren, multifibrillären C-Fasern zur Verstärkung von Kunststoffen und das der C/SiCN Fasern zur Verstärkung von Keramiken untersucht und evaluiert werden.  

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen