Wie verwandelt sich Kohlenstofffaser von Erdöl/Bitumen in „schwarzes Gold“?

Können Sie es glauben? Das tragende Gerüst der Schläger olympischer Champion*innen, die Federbälle mit 300 km/h schlagen können, Formel-1-Autos mit Karosserien, die Beschleunigungen von 0 auf 100 km/h in 2,3 Sekunden aushalten, sogar die Außenhüllen von Weltraumraketen, die die Atmosphäre durchstoßen – ihre gesamte Struktur basiert auf dem vermeintlichen ‚schwarzen Abfall‘, der nach der Ölraffination übrig bleibt?

Heute tauchen wir ein in den bemerkenswerten Aufstieg der Kohlenstofffaser, dem 'Top-Tier' der Werkstoffkunde. Erfahren Sie, wie aus dem bescheidenen Petroleum-Asphalt nach unzähligen Herausforderungen 'schwarzes Gold' entstand, das mehr wert ist als Silber!

Warum wird es "schwarzes Gold" genannt?
Bevor wir uns auf diese Wandlungsreise begeben, wollen wir zunächst eine grundlegende Frage klären: Warum wird Kohlenstofffaser so oft mit Gold verglichen?
(1) Sein Preis ist wahrhaftig 'goldwert': Normale Kohlenstofffaser kostet mehrere Tausend Yuan pro Kilogramm, während hochwertige kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe für die Luft- und Raumfahrt bis zu 20.000 Yuan pro Kilogramm erzielen können – teurer als Silber (ca. 5 Yuan pro Gramm).

(2) Die Leistung ist beeindruckend: Mit nur einem Viertel des Gewichts von Stahl bietet sie die zehnfache Festigkeit, widersteht Korrosion durch starke Säuren und bleibt bei -180 °C bruchfest.

(3) Ihre Seltenheit ist wirklich beeindruckend: Weltweit verfügen nur etwa ein Dutzend Länder über die Technologie zur Massenproduktion, wobei hochwertige Kohlenstofffaser als „strategisches Material“ eingestuft wird – was die Beschaffung selbst bei gewünschter Nutzung äußerst schwierig macht.

Dieser „Allrounder“ stammt aus Asphalt, einem Nebenprodukt der Erdölraffination – vergleichbar damit, Diamanten aus Kohlehaufen zu gewinnen, wobei jeder Schritt voller Wunder steckt.

Von Asphalt zu Kohlenstofffaser: Ein fünfstufiger ‚Alchemie‘-Prozess, bei dem kein einziger Schritt vernachlässigt werden darf!

Schritt Eins: Materialauswahl — Die Crème de la Crème: Hochwertiges Bitumen
Nicht jedes Bitumen eignet sich dafür. Das Bitumen, das wir typischerweise für den Straßenbau verwenden, enthält zu viele Verunreinigungen und hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, weshalb es ungeeignet ist. Nur „spezielles Bitumen“ mit hoher Reinheit, hohem Kohlenstoffgehalt (90 %) sowie geringem Schwefel- und Metallgehalt kann für die Herstellung von Kohlenstofffaser verwendet werden.

Ingenieure setzen die Lösungsmittel-Extraktion ein, um den Asphalt zu "baden": Sie tauchen ihn in spezialisierte Lösungsmittel, um Verunreinigungen wie Schwefel, Stickstoff und Schwermetalle herauszufiltern, ähnlich wie man Sand siebt. Anschließend verfeinert die Destillation die molekulare Struktur, wodurch er die Eigenschaft erhält, zu Fäden gezogen werden zu können und hohen Temperaturen standzuhalten.

Dieser Schritt ähnelt der Auswahl von Athleten: Nur solche mit einem "starken Fundament" können dem anschließenden intensiven Training standhalten.

Schritt zwei: Das Spinnen – das Ziehen von "goldenen Fäden", die zehnmal dünner sind als ein Haar.
Das gereinigte Bitumen wird auf 200–300 °C erhitzt und verwandelt sich dabei in eine sirupartige, viskose "Schmelze". Diese Schmelze wird dann durch eine "Spinneret-Platte" gepresst, die mit winzigen Öffnungen durchsetzt ist – jede misst nur 5–50 Mikrometer im Durchmesser (im Vergleich zu 50–100 Mikrometern beim menschlichen Haar), feiner als eine Stecknadel!

Die durch diese Öffnungen extrudierten Asphaltfilamente werden sofort in kaltes Wasser oder gekühlte Luft eingetaucht, um sie zu „abzukühlen und zu verfestigen“, wodurch kontinuierliche „Asphalt-Filament-Stränge“ entstehen. Dieser Schritt erfordert außergewöhnliches technisches Können: Eine geringfügig höhere Extrusionsgeschwindigkeit lässt die Filamente reißen; etwas niedrigere Kühltemperaturen machen sie spröde; selbst eine einzige verstopfte Öffnung kann eine gesamte Charge von Filamenten unbrauchbar machen.

Man könnte es mit der „künstlichen Herstellung von Seidenraupenkokons“ vergleichen, nur dass das extrudierte „Filament“ zehnmal dünner ist als Seide.

Schritt Drei: Voroxidation — Das Filament mit einem „feuerfesten Anzug“ ausrüsten
Das frisch gesponnene Asphaltfilament ist ein empfindliches Gebilde: Es reißt bereits bei geringster Zugbelastung und fängt bei der kleinsten Funkenbildung Feuer. Um es widerstandsfähig und belastbar zu machen, muss zunächst erreicht werden, dass es feuerfest wird.

Das rohe Filament wird in einen Ofen bei 150–300 °C eingelegt, wo es über mehrere Stunden langsam in Luft erhitzt wird. Während dieses Prozesses entweichen Wasserstoff- und Sauerstoffatome nach und nach aus dem Asphaltfilament. Seine molekulare Struktur wandelt sich von linear zu einem vernetzten Zustand, und seine Farbe ändert sich von schwarz zu dunkelbraun. Entscheidend ist, dass es feuerbeständig wird!

Dieser Schritt darf auf keinen Fall übersprungen werden: Die Voroxidation zu überspringen und direkt mit der Hochtemperaturverarbeitung fortzufahren, würde dazu führen, dass die Asphaltfaser sofort verbrennt und alle vorherigen Bemühungen vergebens wären. Zudem muss die Aufheizgeschwindigkeit langsam sein; eine Beschleunigung würde zu „ungleichmäßiger innerer Spannung“ innerhalb der Faser führen und Risse verursachen.

Schritt vier: Karbonisierung — Veredelung bei hohen Temperaturen zur Herstellung eines „reinen Kohlenstoffgerüsts“
Das rohe Filament, nun eingehüllt in sein „feuerfestes Gewand“, muss die „ultimative Prüfung“ im Karbonisierungsofen durchlaufen. Dieser Ofen arbeitet bei Temperaturen zwischen 1000 und 1800 °C und muss eine sauerstofffreie Umgebung aufrechterhalten (da sonst der Kohlenstoff zu Kohlendioxid oxidiert).

Unter diesen extremen Temperaturen entweichen die letzten Spuren nicht-kohlenstoffhaltiger Elemente (wie Wasserstoff und Stickstoff) aus dem Filament als Gase. Übrig bleibt nahezu reiner Kohlenstoff (Kohlenstoffgehalt 90 %), dessen molekulare Struktur sich zu geordneten „graphitähnlichen Kristallen“ umarrangiert. An diesem Punkt wird das „Asphaltfilament“ offiziell zum „Kohlenstofffaser-Präkursor“!

Die Karbonisierungstemperatur bestimmt direkt den Wert der Kohlenstofffaser: gewöhnliche industrielle Kohlenstofffasern können bei etwa 1000 °C hergestellt werden, während für luft- und raumfahrttaugliche Fasern Temperaturen über 2000 °C erforderlich sind. Dies führt zu einer geordneteren Anordnung der Kohlenstoffkristalle und einer mehrfach höheren Festigkeit, wodurch sich der Preis naturgemäß erhöht.

Schritt fünf: Oberflächenbehandlung – Verbindungen für Kohlenstofffasern herstellen
Frisch karbonisierte Kohlenstofffasern weisen eine glatte Oberfläche wie Glas auf, die beim Verbinden mit Materialien wie Harz oder Metall leicht 'rutscht' – ähnlich wie zwei glatte Glasscheiben, die zusammengepresst werden, aber beim geringsten Druck abrupt auseinanderbrechen. Die behandelte Kohlenstofffaser wird anschließend zu einem Gewebe (dem bereits erwähnten Kohlenstofffasergewebe) verwebt oder in kurze Fasern geschnitten und bildet so das „Kernskelett“ von Verbundwerkstoffen.
An diesem Punkt ist die zweimonatige bis dreimonatige „Metamorphose“, die mit Asphalt begann, endlich abgeschlossen.

Diese wenig bekannten Fakten sind 90 % der Menschen unbekannt!

nicht alles Kohlenstofffaser stammt aus Petroleum-Pech: Neben Petroleum-Pech können auch Polyacrylnitril (PAN) und Viskosefaser zur Herstellung von Kohlenstofffaser verwendet werden. Kohlenstofffaser auf PAN-Basis macht 90 % der weltweiten Produktion aus, während kohlenstoffbasierte Kohlenstofffaser besser für hochwertige, hochfeste Anwendungen geeignet ist.

die Herstellung einer Tonne Kohlenstofffaser verbraucht 20 Tonnen Rohstoffe: Vom Pech bis zur Kohlenstofffaser liegt die Ausbeute unter 5 %. Kein Wunder, dass sie so teuer ist.

china hat das Monopol gebrochen: Zuvor wurde Hochleistungskohlenstofffaser von Europa, Amerika und Japan kontrolliert. Inzwischen hat China die Massenproduktion von Kohlenstofffaser der Güteklasse T1100 (Luft- und Raumfahrtklasse) erreicht, zu Preisen, die 30 % unter den Importpreisen liegen.

Welche Kohlenstofffaser produkte haben Sie bereits kennengelernt?
Kohlenstofffaser ist in unserem täglichen Leben längst nicht mehr fern: Jenseits von Luft- und Raumfahrt sowie dem Motorsport findet sie heute Anwendung in hochwertigen Fahrradrahmen, Drohnenarmen und sogar in Handy-Gehäusen.

Sind Ihnen schon einmal Produkte aus Kohlefaser in Ihrer Umgebung begegnet? Oder welche zukünftigen Anwendungen stellen Sie sich für dieses Material vor? Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren mit!

Der unscheinbare Erdöl-Asphalt durchlief über mehrere Monate eine bemerkenswerte Transformation und entwickelte sich zum sogenannten „schwarzen Gold“, das der hochwertigen Fertigung zugrunde liegt. Dahinter steht das unermüdliche Streben zahlloser Ingenieure nach Millimeter-Genauigkeit sowie die fortwährende menschliche Suche danach, die Grenzen der Werkstoffkunde zu erweitern. Wenn Sie nächstes Mal auf ein Produkt aus Kohlefaser treffen, könnten Sie sich daran erinnern: Es entstand einst aus kaum mehr als einem Abfallprodukt der Erdölverarbeitung.