DE102016118760A1

DE102016118760A1 - Verfahren zur Gewinnung von Fasern aus faserverstärkten Kunststoffwerkstoffen

Info

Publication number: DE102016118760A1
Application number: DE102016118760.7A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hottendorf; Michael Grandrath
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Fasern aus faserverstärkten Kunststoffwerkstoffen (FVK) umfassend die Verfahrensschritte Gewinnen von Holzgas in einem ersten Holzvergaser bei 1300 bis 1450°C, Einleiten des gewonnene Holzgases in eine Drehrohr bei 800 bis 950°C, wobei zerkleinertes FVK-Material mit einer Schmelz- oder Zersetzungstemperatur oberhalb von 950°C zugeführt wird, Gewinnen der Verstärkungsfasern, Einspeisen des im Drehrohr entstehenden Pyrolysegases in einen zweiten Holzvergaser, in dem Holz mit dem entstandenen Pyrolysegas zusammen bei höchstens 1400°C zur Reaktion gebracht und modifiziertes Pyrolysegas gebildet wird, Kühlen des resultierenden modifizierten Pyrolysegases auf 150°C, Verbrennen des modifizierten Pyrolysegases zur Gewinnung von Energie.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Gewinnung von Fasern aus faserverstärkten Kunststoffwerkstoffen (FVK), insbesondere aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen.
Hintergrund der Erfindung
Kohlenstofffasern finden in einer Vielzahl von Produkten Verwendung, etwa in Sportgeräten, Fahrzeugen oder in Artikeln der Gebrauchskunst. Sie werden meist eingebettet in einer Kunststoffmatrix eingesetzt und als kohlenstofffaserverstärke Kunststoffe oder carbon fiber reinforced plastics bezeichnet und mit CFK oder CFRP abgekürzt. Auch mit anderen Fasern verstärkte Kunststoffe sind verbreitet. Gemeinsam werden diese Werkstoffe als FVK, faserverstärkte Kunststoffe bezeichnet. Die enthaltenen Fasern werden auch als Verstärkungsfasern bezeichnet.
Die Entsorgung von Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern enthaltenden Abfällen im Sinne einer Wiederverwertung ist eine Aufgabe, der in der Zukunft angesichts steigender Verwendung von FVK in konsumentennahen Produkten, aber auch in Fahrzeugen, steigender Bedeutung zukommt. Aufgrund der die Verstärkungsfasern umgebenden Matrizes, die zumeist Duroplaste darstellen, ist ein Umformen von gebrauchten Teilen aus FVK meist nicht möglich.
Daher sind Verfahren erforderlich, die es ermöglichen Matrix und Verstärkungsfasern voneinander zu trennen.
Bekannt ist etwa ein von der Siemens AG entwickeltes solvolytisches Verfahren, bei dem das Harz, das die Kohlenstofffasern umschließt bei einer Temperatur von 200 Grad Celsius unter Druck von Wasser abgebaut wird. Dabei entsteht ein Alkoholgemisch. Außerdem bleiben die Fasern zurück. Diese behalten ihre ursprüngliche Länge und Form, die sie bei der Produktion bekommen hatten, auch mögliche die Beschichtungen können erhalten bleiben.
Holzvergaser wurden in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts zum Betrieb von Kraftfahrzeugen mit Holz eingesetzt. Bekannt ist der Imbert-Vergaser, ein im Gleichstromverfahren betriebener Festbettvergaser, bei dem Holz unter Luftzutritt teilweise verbrannt und teilweise in Gas und Aktivkohle umgewandelt wird.
Beschreibung der Erfindung
Überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar hat sich herausgestellt, dass ein Verfahren zur Gewinnung von Fasern aus faserverstärkten Kunststoffwerkstoffen (FVK) umfassend die Verfahrensschritte

• Gewinnen von Holzgas in einem ersten Holzvergaser bei 1300 bis 1450°C,
• Einleiten des gewonnene Holzgases in eine Drehrohr bei 800 bis 950°C, wobei zerkleinertes FVK-Material mit einer Schmelz- oder Zersetzungstemperatur oberhalb von 950°C zugeführt wird,
• Gewinnen der Verstärkungsfasern,
• Einspeisen des im Drehrohr entstehenden Pyrolysegases in einen zweiten Holzvergaser, in dem Holz mit dem entstandenen Pyrolysegas zusammen bei höchstens 1400°C zur Reaktion gebracht und modifiziertes Pyrolysegas gebildet wird,
• Kühlen des resultierenden modifizierten Pyrolysegases auf 150°C,
• Verbrennen des modifizierten Pyrolysegases zur Gewinnung von Energie, den Nachteilen des Standes der Technik abhilft.

Mit diesem Verfahren kann neben Verstärkungsfasern ein für den Antrieb eines Ottomotores oder Brenners nutzbares Schwachgas gewonnen werden. Im Drehrohr kann statt teurem Stickstoff ein reaktives Gas enthaltend Wasserstoff, Kohlenmonoxyd eingesetzt werden. Die Faseroberfläche der Verstärkungsfasern kann durch die sauerstofffreie Atmosphäre im Drehrohr geschont werden. Bevorzugt kann die Pyrolyse im Drehrohr bei Temperaturen um 670°C durchgeführt werden. Das entstandene Pyrolysegas kann in einem zweiten Holzvergaser so aufbereitet werden, dass die Verbrennung unter 1900°C erfolgen kann. Bei höheren Temperaturen beginnen die Kohlenstofffasern zu brennen. Bewährt hat sich eine Höchsttemperatur von 1500°C. Vorteilhaft ist dabei, dass bei der Herstellung von Kohlefasern noch nicht in Kohlenstofffasern umgewandelte Vorprodukte durch den zweiten Holzvergaser in Kohlenstofffasern umgewandelt werden können. Weiter vorteilhaft ist, dass keine lungengängigen Fasern entstehen. Bevorzugt werden die Verfahrensschritte in der oben dargestellten Abfolge durchgeführt.
Bevorzugt ist es, wenn aus dem modifizierten Pyrolysegas Energie in einem Gasmotor gewonnen wird. Der Gasmotor bewirkt zudem einen Unterdruck und fördert so die zugeführten Gase in die vorgeschalteten Reaktoren. Diese Reaktoren können so unter verringertem Druck betrieben werden, was die unerwünschten Folgen von Dichtigkeitsproblemen verringert. Weiter kann die Dosierung der Gasmengen durch den erzeugten verringerten Druck einfacher erfolgen. Bevorzugt ist es weiter, wenn ein Teil des modifizierten Pyrolysegases zur Beheizung des Drehrohrs verwendet wird. Bevorzugt ist es weiter, wenn das Gewichtsverhältnis von eingesetztem Holz zu FVK-Material 0,5 zu 1 bis 10 zu 1 ist. Bevorzugt ist es weiter, wenn das Massenverhältnis von Pyrolysegas zu modifiziertem Pyrolysegas 1 zu 1,2 bis 1 zu 2, bevorzugt 1:1,5 ist. Bevorzugt ist es weiter, wenn das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines modifizierten Imbert Holzvergasers durchgeführt wird. Dabei weist dieser modifizierte Imbert Holzvergaser eine zweite Gazuführungseinrichtung auf, durch die das Pyrolysegas in den Reaktor eingespeist werden kann. Besonders bevorzugt ist die Geometrie der beiden Gazuführungseinrichtungen so beschaffen, dass der durch den Motor erzeugte Unterdruck Luft und Pyrolysegas im gewünschten Verhältnis in den Reaktor hinein fördert. Bevorzugt ist es weiter, wenn die Verweilzeit des FVK-Materials im Drehrohr 50 bis 60 Minuten beträgt. Bevorzugt ist es weiter, wenn die Teilchengröße des FVK-Materials 10 bis 100 cm² beträgt. Bevorzugt ist es weiter, wenn der Faseranteil des FVK-Material 40 bis 60 % beträgt. Die Erfindung umfasst auch Verstärkungsfasern für Faserverbundwerkstoffe erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren sowie FVK-Material enthaltend solche Verstärkungsfasern.
Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Verfahrens. In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
In einen ersten Imbert-Holzvergaser (1) wird Holz (2) hineingefördert und unter kontrollierter Luftzufuhr (3) bei Temperaturen von 1400°C in ein Gas umgewandelt, dass überwiegend CO, CO₂ und H₂ enthält. Dieses Gas (5) wird einem Drehrohrreaktor (6) zugeführt, in dem zerkleinerte Faserverbundwerkstoffabfälle (7) bei 670°C behandelt werden. Dabei zersetzt sich die Matrix der FVK (7) zu gasförmigen Produkten (8), auch als Pyrolysegas bezeichnet. Dieses Pyrolysegas wird in einen zweiten modifizierten Imbert-Holzvergaser (9) hineingefördert, in dem weiteres Holz (10) und unter kontrollierter Luftzufuhr (11) bei Temperaturen von 1400°C in ein modifiziertes Pyrolysegas (12) umgewandelt, dass neben Zersetzungsprodukten des Matrixmaterials überwiegend CO, CO₂ und H₂ enthält. Dieser zweite Holzvergaser (9) weist neben der ersten Gazuführungseinrichtung, mit der Luft in den Reaktor eingespeist werden kann eine zweite Gazuführungseinrichtung auf, durch die das Pyrolysegas in den Reaktor eingespeist werden kann. Dabei ist die Geometrie der beiden Gazuführungseinrichtungen so beschaffen, dass der durch den Motor erzeugte Unterdruck Luft und Pyrolysegas im gewünschten Verhältnis in den Reaktor hinein fördert. Die zweite Gazuführungseinrichtung besteht aus einem kreisförmigem, nach oben offenen U-Profil, das oben mit einem Deckel verschlossen ist und durch Hohlschrauben, die durch die reaktorseitige Wand des U-Profils und durch die Reaktorwand geschraubt sind, ein Einspeisen des Pyrolysegases in den Reaktor erlaubt. Dabei ragen die Hohlschrauben 25 mm in den Reaktor hinein und weisen in einem Winkel von 15° nach unten. Das modifizierte Pyrolysegas (12) wird einem Kondensator (13) zugeführt um kondensierbare Anteile (14) zu entfernen. Nach Durchlaufen einer Filteranordnung (15) kann das Gas mit Luft (16) in einem Gasmotor (17) unter Energiegewinnung verwertet werden. Die mechanische Energie kann beispielsweise mit einem Generator (18) in Strom umgewandelt werden. Das Abgas (19) kann nach Durchlaufen von Abgaswärmetauschern (20) an die Umgebung (22) abgegeben werden, beispielsweise über einen Kamin (21). Das aus dem Kondensator (13) austretende Gas kann auch zum Beheizen des Drehrohrs (6) verwendet werden.
Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken.
Bezugszeichenliste

1: erster Holzvergaser
2: Holz
3: Luft
4: Holzasche
4a: Asche
5: Holzgas
6: Drehrohrreaktor
7: Faserverbundwerkstoffabfälle
8: Pyrolysegas
9: zweiter Holzvergaser
10: Holz
11: Luft
12: modifiziertes Pyrolysegas
13: Kondensator
14: Kondensat
15: Filter
16: Luft
17: Gasmotor
18: Generator
19: Abgas
20: Abgaswärmetauscher
21: Kamin
22: Umgebung

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Fasern aus faserverstärkten Kunststoffwerkstoffen (FVK) umfassend die Verfahrensschritte • Gewinnen von Holzgas in einem ersten Holzvergaser bei 1300 bis 1450°C, • Einleiten des gewonnene Holzgases in eine Drehrohr bei 800 bis 950°C, wobei zerkleinertes FVK-Material mit einer Schmelz- oder Zersetzungstemperatur oberhalb von 950°C zugeführt wird, • Gewinnen der Verstärkungsfasern, • Einspeisen des im Drehrohr entstehenden Pyrolysegases in einen zweiten Holzvergaser, in dem Holz mit dem entstandenen Pyrolysegas zusammen bei höchstens 1400°C zur Reaktion gebracht und modifiziertes Pyrolysegas gebildet wird, • Kühlen des resultierenden modifizierten Pyrolysegases auf 150°C, • Verbrennen des modifizierten Pyrolysegases zur Gewinnung von Energie.
Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aus dem modifizierten Pyrolysegas Energie in einem Gasmotor gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des modifizierten Pyrolysegases zur Beheizung des Drehrohrs verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von eingesetztem Holz zu FVK-Material 5 zu 1 bis 10 zu 1 ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis von Pyrolysegas zu modifiziertem Pyrolysegas 1 zu 1,2 bis 1 zu 2 ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung eines modifizierten Imbert Holzvergasers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des FVK-Materials im Drehrohr 50 bis 60 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße des FVK-Materials 10 bis 100 cm² beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil des FVK-Material 40 bis 60% beträgt
Verstärkungsfasern für Faserverbundwerkstoffe erhältlich nach einem Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche.
FVK-Material enthaltend Verstärkungsfasern nach Patentanspruch 10.