TECHNOLOGIEENTWICKLUNG ZUR GEWINNUNG VON SEKUNDÄRGRAPHIT AUS REZYKLIERTEN KOHLENSTOFFFASERN

Graphit als Rohstoff der High-Tech-Industrie ist ein seltenes und begehrtes Mineral, das bislang nahezu vollständig aus Drittländern nach Europa importiert werden muss. Ziel eines neuen  Forschungsprojekts der Technischen Hoschschule Nürnberg ist die Entwicklung eines Verfahrens zur (Wieder-)Gewinnung von Sekundärgraphit aus rezyklierten Kohlenstofffasern. Im Jahr 2010 untersuchte eine Arbeitsgruppe der europäischen Kommission mehrere Materialien und bewertete deren Kritikalität bezüglich ihres Versorgungsrisikos und der wirtschaftlichen Bedeutung für Europa. Im Ergebnis lag eine Liste mit 14 Rohstoffen vor, die aufgrund ihrer Seltenheit und Bedeutung für die europäische Wirtschaft als kritisch eingeschätzt wurden. Darunter befand sich auch das Industriemineral Graphit. Bis heute werden bis zu 95 % des Graphits aus China importiert. Aufgrund des hohen Bedarf für die High-Tech- Industrie und der großen  Lieferabhängigkeit, ist die Versorgungssicherheit dieses wertvollen Rohstoffs auch für die deutsche Industrie als potenziell kritisch anzusehen.

Heliotrope Polymere als Materialien für lichtausgelöste Bewegung

Der Begriff „Heliotropie“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet in etwa, der Sonne zugewandt, und bezeichnet in der Pflanzenphysiologie Pflanzen, wie beispielsweise Sonnenblumen, die ihre Blüten der Sonnenbewegung folgen lassen. Diese Bewegung wird durch Druckveränderungen in den Pflanzenzellen bewirkt. Mit diesem Hintergrund werden Polymere, die in der Lage sind, auf Grund von Lichteinstrahlung Gestaltänderungen zu vollziehen, heliotrop genannt. Ziel des Projektes „Heliotrope Polymere als Materialien für lichtausgelöste Bewegung“ war die Entwicklung einer effizienten Methode zur Synthese von heliotropen Polymeren mit guten mechanischen Eigenschaften.Vorangegangene Arbeiten konnten keine reproduzierbaren Ergebnisse vorweisen und die synthetisierten LCEs waren stets durch kristalline Ausscheidungen geprägt. Der Fokus lag somit auf der Entwicklung einer Synthese, welche die Reproduzierbarkeit und Qualität gewährleistete. Durch zusätzliche Synthesestufen und neuen Lösungsmitteln war es erstmals möglich, Mischungslücken durch Entmischung der einzelnen Komponenten auszuschließen.

HÖCHSTWÄRMEDÄMMENDE NANOFASER-ISOLATIONSMATERIALIEN FÜR ENERGIEEFFIZIENTE GEBÄUDE

Zur Verbesserung der Isolierwirkung von Bau- und Dämmstoffen für Neubauten und für die Altbausanierung wird im Rahmen des Forschungsvorhabens NanoFIM eine neue Klasse von Nanofaser-Isolationsmaterialien entwickelt. Bei Anwendung der neuen Faserstoffe zur Wärmedämmung von Gebäuden resultiert eine massive Einsparung von Primärenergie für die Beheizung, gleichzeitig werden unnötige CO2- Emissionen verhindert. Für das angestrebte Projekt sollen nachwachsende und CO2 -neutrale Rohstoffe sowie die in immer stärkerem Ausmaß anfallenden Alt-Styropormengen aus dem Baustoff-Recycling genutzt werden.

DISPERGIER-ADDITIV FÜR CARBON NANOTUBES

Kunststoffe gehören zu den vielseitigsten Werkstoffen. Sie finden in vielen Branchen Anwendung. Kunststoffen werden oft Zusatzstoffe (Additive) zugesetzt, um beispielsweise die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. So wurde auch versucht, Carbon Nanotubes (CNTs) als verstärkende Additive für Kunststoffe zu verwenden, was bislang aufgrund mangelnder Wechselwirkungen zwischen den CNTs und Kunststoffen nicht möglich war. Im Forschungsprojekt „Dispergier-Additiv für Carbon-Nanotubes" sollen nun neue Dispergier-Additive hergestellt werden, die sowohl besonders starke Wechselwirkungen mit Carbon-Nanopartikeln als auch mit Kunststoffen aufweisen. Anschließend daran soll ein Verfahren zur Herstellung von mit CNTs verstärkten Kunststoffen (CNT-Polymer-Compounds) entwickelt werden.

ENTWICKLUNG EINES VERFAHRENS ZUR REDUKTION VON EISENGEHALTEN IN VERUNREINIGTEN ALUMINIUMSCHMELZEN

Der Energieverbrauch bei der Herstellung von Aluminium ist um ein vielfaches höher als der bei der Herstellung anderer Metalle. Der Energiebedarf ist so hoch, das Aluminiumhütten im Allgemeinen lediglich an Orten wirtschaftlich betrieben werden können, an denen elektrische Energie sehr günstig und in großen Mengen verfügbar ist. Deutschland, wie auch viele andere Länder Europas, sind daher vom Import des Rohstoffes abhängig. Um diese Abhängigkeit zu umgehen, setzt Deutschland auf die weniger energieintensive Wiederverwertung von Aluminium. Dabei muss das Metall nicht mehr reduziert, sondern lediglich wieder aufgeschmolzen und aufbereitet werden, was somit den energieintensiven Reduktionsschritt und damit Energie und Kosten in großem Maße einspart. Ein großes Problem stellt hierbei jedoch der Eisengehalt des Aluminiums dar, der sich schädlich auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Bereits der Grundstoff Bauxit, aus dem Aluminium gewonnen wird, enthält hohe Mengen an Eisen. Da sich Eisen in flüssigem Aluminium sehr leicht löst, steigert sich die Konzentration zunehmend bei der Wiederverwertung, bei der eiserne Bauteile verwendet werden. Das Forschungsprojekt „Entwicklung eines Verfahrens zur Reduktion von Eisengehalten in verunreinigten Aluminiumschmelzen" hat sich die Entwicklung eines langfristig großindustriell implementierbaren Verfahrens zum Ziel gesetzt.

ENTWICKLUNG EINES NEUEN ENERGIE-EFFIZIENTEN VERFAHRENS ZUR FEUCHTE-ABLEITUNG PRESSFEUCHTER ZIEGELROHLINGE

Ziegel sind zwar der älteste Werkstoff der Welt; aber auch an Ihnen geht die Entwicklung ständig weiter. Mauerziegel zählen wie Dachziegel, Porzellan, technische Keramik oder Fliesen zur Gruppe der keramischen Produkte. Ihre Herstellungsverfahren sind ähnlich und erfordern die Prozessstufen Rohstoffgewinnung, Aufbereitung, Formgebung sowie das Trocknen und Brennen zu fertigen Produkten. Im Falle der Trocknung von Mauerziegeln müssen 70 % der gesamten zur Ziegelherstellung benötigten Energie alleine für den Trocknungsschritt aufgewandt werden. Dabei wird der Wassergehalt des pressfeuchten Ton-Rohlings von ca. 21 % auf ca. 1 % abgesenkt. Dies geschieht nach heutigem Stand der Technik durch „Konvektionstrocknung", indem mehr oder weniger feucht-heiße Luft um und durch die Löcher der geformten Rohlinge geführt wird. Im hier vorgestellten Forschungsvorhaben wird ein neuartiges Trocknungsverfahren untersucht. Dabei wird der Wassergehalt der Rohlinge innerhalb weniger Minuten durch „Kontakttrocknung" mit einem Trocknungsmittel abgesenkt. Anschließend erfolgt die übliche Konvektionstrocknung, die aber auf einem vergleichsweise höheren Temperaturniveau gestartet werden kann. Dadurch ist eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit, Steigerung der Qualität und eine Absenkung der Produktionskosten möglich.

PRODUKTGESTALTUNG MIT SEKUNDÄRROHSTOFFEN IN DER BAUSTOFF- UND KERAMIKINDUSTRIE

Bauschutt und Sekundärbaurohstoffe stellen mit rund 85 Mio. Tonnen einen der größten Abfallströme in Bayern dar (Stand 2008). Von diesem Bauschutt, der hauptsächlich aus Ziegeln, Beton und Mörtel zusammengesetzt ist, werden weniger als zwei Drittel recycelt. Nur knapp 5 % dieser recycelten Stoffe gelangen anschließend als hochwertiges Produkt in den Hochbau zurück. Obwohl der Großteil der Bau-Reststoffe derzeit vornehmlich im Straßenbau verwendet wird, bleiben jährlich ca. 15 - 20 Mio. Tonnen Bauschutt unrezykliert. Angesichts dieser Zahlen ist ein Umdenken in der Baustoffrückgewinnung notwendig. Ähnlich wie auf dem Gebiet der Energiegewinnung aus regenerativen Energieträgern muss im Bereich der Bauschutt-Verwertung eine eigenständige Technologieentwicklung vorangebracht werden, um Baustoffabfälle effizienter zu recyceln. Das Forschungsprojekt „BauKera - Produktgestaltung mit Sekundärrohstoffen in der Baustoff- und Keramikindustrie“ verfolgt deshalb den Ansatz, insbesondere Baustoffabfälle aus dem Hochbau (knapp 52 Mio. Tonnen jährlich) so zu recyceln, dass durch verschiedene Prozesse neue Produkte für verschiedene Marktsegmente hergestellt werden können. Darüber hinaus wird im Rahmen des Projekts erstmals untersucht, wie Baustoffabfälle effizient in der Keramikindustrie eingesetzt werden können.

BIOBASIERTE HERSTELLUNG DES BIOLOGISCH ABBAUBAREN BIO-KUNSTSTOFFES POLYBUTTERSÄURE

Kunststoffe sind nützlich und aus dem Alltag nur schwer wegzudenken. Insbesondere Verpackungen oder Plastiktüten werden häufig nach einmaliger Nutzung weggeworfen und belasten bei sorgloser, aber auch bei geregelter Entsorgung die Umwelt. Weltweit betrachtet sammelt sich achtlos weggeworfener Plastikmüll in den Weltmeeren zu enormen schwimmenden Inseln zusammen, und das beim Degradieren des Mülls entstehende Mikroplastik reichert sich in der Nahrungskette an. Aber nicht nur die Entsorgung klassischer petrochemischer Kunststoffe, sondern auch die Herstellung, bei der wertvolle Ressourcen wie Erdöl benötigt werden, ist problematisch. Bio-Kunststoffe bieten für viele Anwendungen eine nachhaltigere Alternative. Die biobasiert hergestellte und biologisch abbaubare Polybuttersäure (Polyhydroxybutyrat, kurz PHB) hat vergleichbare technische Eigenschaften wie die petrochemischen Kunststoffe PE und PP, jedoch behindern derzeit die höheren Herstellungskosten die Massenverwendung. Im Forschungsvorhaben soll deshalb ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für PHB entwickelt werden.

SIMULTANE THERMISCHE ANALYSE MIT HOCHAUFLÖSENDER EMISSIONSANALYSE

Forschung und Entwicklung ist nicht nur der Grundstein für neue Technologien, sondern ermöglicht auch bewährte Verfahren effizienter und ressourcenschonender zu gestalten. Die Technische Hochschule Nürnberg leistet mit ihrer Forschungskompetenz einen Beitrag zur Neu- und Weiterentwicklung und stärkt mit industriellen Kooperationsprojekten den Wirtschaftsstandort Nürnberg. In verschiedenen Forschungsschwerpunkten werden dabei die Erfahrungen und Kompetenzen unterschiedlicher Lehrgebiete gebündelt. So sind am Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung (OHMCMP) die Fakultäten Angewandte Chemie, Elektrotechnik/ Feinwerktechnik/ Informationstechnik, Maschinenbau und Verfahrenstechnik sowie Werkstofftechnik beteiligt. Durch die verschiedenen Kompetenzen können dort alle Aspekte der Produktentwicklung abgebildet werden. Die Effizienz der Forschungsaktivitäten ist allerdings durch die apparative Ausstattung beschränkt. Insbesondere auf dem wichtigen Gebiet der gekoppelten Thermoanalyse mit Emissionsgasanalyse fehlen forschungsgeeignete, hochpräzise Messgeräte. Durch das geplante Investitionsvorhaben soll der Aspekt der thermischen Analyse im Bereich der Materialentwicklung abgedeckt werden, um so die Forschungsarbeiten zu unterstützen.

ENTWICKLUNG EINES NEUARTIGEN BETONVERBUNDBAUSTOFFS MIT LATENTWÄRMESPEICHERVERMÖGEN ZUR KLIMAREGULIERUNG IM BAUWESEN

Das Bauwesen ist der drittstärkste Endenergieverbraucher Deutschlands. Vor allem Altbauten verbrauchen mit ihrem hohen Heizwärmebedarf einen großen Anteil der Energie. Wiederum benötigen Neubauten mit Büronutzung oftmals viel Energie zur Kühlung im Sommer. Um den Energiebedarf von Gebäuden zu senken, müssen Baustoffe und Baukomponenten gezielt ausgewählt werden, sowie energieeffiziente Heiz- und Kühlsysteme eingesetzt werden. Im Projekt soll ein neuartiger, funktioneller Betonverbundbaustoff mit Latentwärmespeichervermögen entwickelt werden, welcher zur Klimaregulierung im Gebäude beitragen und den Bedarf an Energie zur Kühlung und Beheizung reduzieren kann.

HOCHFESTE VERBUNDKUNSTSTOFFE AUF DER BASIS VON CARBONFASERN, CARBON NANOTUBES UND NEUARTIGEN ADDITIVEN FÜR DIE LUFTFAHRT

In der Luftfahrt werden Hochleistungskunststoffe aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Die zumeist aus Duromeren oder Hochleistungs-Thermoplasten bestehenden Materialien sind jedoch aufwendig in der Produktion und schwer zu verarbeiten. Vergleichsweise günstigere Standardkunststoffe können jedoch den Anforderungen der modernen Luftfahrt nicht gerecht werden. Eine Alternative bieten auf Standardkunststoffen basierende Verbundkunststoffe. Diese ermöglichen es, die Eigenschaften eines Verstärkungsmaterials auf die Kunststoffmatrizen zu übertragen. Für die Anwendung in der Luftfahrt sind vor allem Carbonfasern und Carbon Nanotubes (CNT) wegen ihrer elektrischen Leitfähigkeit, hohen Festigkeit und geringen Dichte als Verstärkungsmaterialien geeignet. Bei der Herstellung von Kunststoff-Carbonfaser-Kompositen und Kunststoff-CNT-Kompositen treten jedoch Wechselwirkungen auf, die die Übertragung der mechanischen Eigenschaften auf den Kunststoff verhindern. Im Projekt sollen diese Wechselwirkungen durch den Einsatz eines neuartigen Additives unterbunden werden, um einen spritzgussfähigen Verbundkunststoff für die Luftfahrt zu entwickeln.

PRODUKTBEZOGENE METALLKUNDE

Die Technische Hochschule Nürnberg orientiert ihre Forschungsschwerpunkte an Zukunftsthemen, Schwerpunkten der Metropolregion Nürnberg und gesellschaftlichen Herausforderungen. Hierfür wurden in den letzten Jahren mehrere Kompetenzzentren, wie das Kompetenzzentrum für Analytik, Nano- und Materialtechnik (KAM), an der TH Nürnberg gegründet. Mit dem Ziel, die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Fakultäten und Laboren zu fördern, bündelt das KAM die Kompetenzen der Hochschule im Bereich der Werkstoffforschung, Werkstoffentwicklung und angrenzender  Produktionstechnologien. Ergänzend zum Kompetenzzentrum widmet sich die Arbeitsgruppe Produktbezogene Metallkunde (ProMet) themenspezifisch dem Bereich der Metallphysik und der anwendungsorientiertenMetallforschung.

BIOLOGISCH ABBAUBARE SILICONE

In den vergangenen 50 Jahren haben Silicone zahlreiche Einsatzgebiete sowohl in der Industrie als auch im Alltag gefunden. Sie werden aufgrund ihrer Eigenschaften, die sie von organischen Kunststoffen unterscheiden, als Antischaummittel in Waschmitteln, der Lebensmittelindustrie sowie in Kosmetik- und Hygieneanwendungen, wie Shampoos, eingesetzt. Je nach Anwendungsgebiet können Silicone in die Umwelt, die Atmosphäre oder ins Wasser gelangen. Allgemein gelten Silicone und ihre Abbauprodukte als ungiftig, weswegen keine Gefahr für Menschen, Tiere und Pflanzen erwartet wird. Jedoch gibt es noch keine umfassenden Untersuchungsergebnisse, die Vorhersagen über Langzeitfolgen im Organismus oder
über die Anreicherung in der Umwelt erlauben. Deshalb sollen im Forschungsvorhaben neue Siliconpolymere entwickelt werden, die sich durch ein besseres biologisches Abbauverhalten auszeichnen.

VORARBEITEN ZUR STRUKTURANALYSE VON KNOCHEN IM HINBLICK AUF BIONISCHE STRUKTURKONSTRUKTIONEN

In der Bionik werden Funktionsmechanismen der Natur künstlich nachgebildet, um technische Problemstellungen zu lösen. Der durch die Knochenstruktur inspirierte Leichtbau, hat sich im Bauwesen bereits etabliert. Aber auch für andere Branchen ist der Leichtbau von großer Bedeutung. Sowohl im Anlagenbau als auch in der Automobilbranche geht der Trend hin zu Bauteilen, die bei hoher Festigkeit und Steifigkeit ein möglichst geringes Gewicht haben. Für den Flugzeugbau ist vor allem die Knochenstruktur von Vögeln interessant. Die Knochengewebestruktur von Vögeln ist masseoptimiert, sodass Hohlräume dort entstehen, wo Gewebematerial überflüssig ist. So entsteht ein Material, das bei hoher Festigkeit und Flexibilität, sehr leicht ist. Bei der Anwendung dieses bionischen Prinzips auf Flugzeugflügel, kann sowohl Masse als auch Materialvolumen eingespart werden. Jedoch darf die strukturelle Integrität des Flugzeugs dabei nicht beeinträchtigt werden. Das Vorlaufforschungsprojekt PreBoneStructure verfolgt den bionischen Ansatz, die natürliche Struktur der Vogelknochen besser zu verstehen und auf den Leichtbau in der Luftfahrttechnik zu übertragen.

ERFORSCHUNG RESSOURCEN- UND ENERGIEEFFIZIENTER ZIEGEL

Der Ziegel ist der älteste Werkstoff der Welt. Sogar an den Wänden der Pharaonengräber in Ägypten kann die Ziegelherstellung in Bilderschrift nachgelesen werden. Und auch heute zählen Hochlochziegel zu den beliebtesten Werkstoffen für den Häuser- und Wohnungsbau. Der Ziegel vereint als Zehnkämpfer eine Vielzahl herausragender Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise sehr gute Wärmedämm- und Schallschutzeigenschaften bis hin zu hohen Druckfestigkeiten, einem angenehmen Raumklima und besonders langer Lebensdauer. Damit empfiehlt er sich als idealer Baustoff für wohngesundes Bauen. Zu den heutigen Anforderungen an einen nachhaltigen Baustoff gehört neben den eigentlichen Werkstoffeigenschaften unter anderem auch deren effiziente und ressourcenschonende Produktion. Für die Ziegelindustrie besteht daher die Chance, feingemahlene und homogene Recycling-Fraktionen aus der Bauschutt-Aufbereitung zur Herstellung neuartiger Mauerziegel mit höchstmöglicher Wärmedämmung einzusetzen.
Im Forschungsprojekt TOGRA wurde ein Beitrag zur nachhaltigen Herstellung hochwärmedämmender Hochlochziegel aus recyceltem Bauschutt geleistet.

LANGZEITSTABILE ELEKTRODEN FÜR DIE POLYMERELEKTROLYTBRENNSTOFFZELLE

Elektromobilität nimmt eine immer wichtiger werdende Rolle in der Automobilindustrie ein. Als Antrieb kann entweder eine Batterie oder eine Brennstoffzelle eingesetzt werden. Letztere haben Reichweiten und Tankzeiten die mit konventionellen Antrieben vergleichbar sind. Obwohl die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEM) mit möglichst reinem Wasserstoff betrieben werden müssen, sind sie jedoch platzsparender und kostengünstiger als Batterien. Eine wesentliche Komponente der PEM-Zellen sind die Elektroden, die aus einer Katalysatorschicht, einer mikroporösen Schicht und einer Gasdiffusionsschicht bestehen. Die Elektroden leiten die Elektronen ab, müssen aber gleichzeitig das Brenngas zum eigentlichen Ort der Reaktion leiten und das entstehende Wasser in die entgegengesetzte Richtung ableiten. Als Material für die Elektroden werden derzeit kohlenstoffbasierte Werkstoffe verwendet. Ein großer Nachteil dieses Materials ist die hohe Korrosionsanfälligkeit. Reagiert der Kohlenstoff mit dem Wasser, kann er sich zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid umsetzen. Dadurch verändert sich die Oberflächeneigenschaft der Elektroden, was zu einer Verminderung der Zellleistung und schließlich zur Zerstörung der PEM-Zelle führt. Im Projekt „Langzeitstabile Elektroden für die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle“ sollen deshalb Titanoxid-Nanoröhren als Material für die Elektroden untersucht werden.

Entwicklung eines Teststandes zur Bestimmung der elektrischen Impendanz von Nanopulvern für den Einsatz in Wasserstoff-Brennstoffzellen

Elektrische Antriebe auf Basis von Brennstoffzellen sind eines der zukunftsfähigsten Antriebskonzepte der heutigen Zeit. Meist werden Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen verwendet. Während diese zwar mit möglichst reinem Wasserstoff betrieben werden müssen, sind sie aber kleiner und kostengünstiger als andere Zelltypen. Die wesentliche Komponente der Brennstoffzelle sind die protonenleitende Polymermembran und die Elektroden. Die schlechte Stabilität der Elektroden führt jedoch zu einer kürzeren Lebensdauer der gesamten Brennstoffzelle. An der TH Nürnberg wurde deshalb ein Elektrodenmaterial entwickelt, das nicht korrosionsanfällig ist, eine hohe spezifische Oberfläche aufweist und leitfähig ist. Für die weitere Optimierung des Materials ist es jedoch notwendig, neben der elektrochemischen Beständigkeit die elektrischen Eigenschaften des Werkstoffs zu erfassen. Dafür sind jedoch spezielle Messkammern notwendig, die nicht standardisiert erhältlich sind. Im Vorlaufforschungsprojekt soll deshalb eine Messkammer aufgebaut werden, die speziell an die Bedürfnisse der Messung angepasst ist.