Die Carbonfasern werden aus Polyacrylnitril hergestellt, einem Stoff, der auf Erdöl basiert. Dieser kann in einem chemischen Prozess verarbeitet und anschließend zu Fasern ausgesponnen werden. Danach müssen sie in einem mehrstufigen Prozess carbonisiert werden. Das bedeutet, dass sie bei hohen Temperaturen von über 1.000 °C behandelt werden, bis fast alle chemischen Elemente außer Kohlenstoff abgespalten werden. Während dieses Prozesses erhält die Faser auch ihre typische schwarze Farbe.

Die Gewebe, Geflechte oder Gelege aus Carbonfasern sind beweglich und flexibel wie herkömmliche Baumwolltextilien, jedoch viel leichter. Die einzelnen Fasern lassen sich sogar ganz einfach mit der Hand verschieben. Um die hohe Steifigkeit und Stabilität in der Fläche zu erreichen, müssen die Textilien in einen Kunststoff, meist Epoxiharz, getaucht und ausgehärtet werden. Diesen nennt man Matrix. Dabei wird die Matrix so gering wie möglich gehalten, denn sie soll lediglich Hohlräume schließen und die Oberfläche des Gewebes versiegeln. Dadurch werden die zuvor empfindlichen Textilien verstärkt und vor dem Verschieben der Fasern geschützt.

Kern der funktionalen CFK bleiben jedoch die hochfesten Carbonfasern. Sie geben auch dem Werkstoff sein typisches Erscheinungsbild: Eine schwarze, lichtreflektierende Gewebestruktur, die dank der großen Rovings deutlich abgebildet wird. Bei Imitaten wird sie häufig nachgestellt.

CFK weißt noch weitere Vorteile auf: Es ist rostfrei und elektrisch leitfähig. Damit wird es für die Baubranche als Betonarmierung sowie als Heizelement interessant. Als Bauteile für Autokarosserien, Flugzeuge, sowie für Brücken und Rotorblätter in Windkraftanlagen und selbst für Profisportgeräte wie sehr leichte Rennräder, werden CFK bereits eingesetzt. Ihnen kommt die Leichtigkeit, Steifigkeit und Biegefestigkeit zugute.

Mit einem Gebäudeentwurf in Faserbauweise bringen die Institute ICD und ITKE an der Universität Stuttgart Carbon als selbsttragendes Fassadenelement nun in die architektonische Praxis. Auf dem Campus der Hochschule Reutlingen wird das Texoversum entstehen, ein Ausbilungs- und Innovationszentrum, das die Querschnittstechnologie Textil beherbergen und ihr gleichzeitig ein angemessenes Erscheinungsbild geben wird. Die repräsentative Fassade aus Kohlenstoff- und Glasfasern besteht aus selbsttragenden Elementen, die keine Tragstruktur benötigen. Sie werden in robotischen Wickelprozessen hergestellt und prägen somit das Erscheinungsbild des Gebäudes dank ihrer individuellen Strukturen.

Realisiert wird der einzigartige Entwurf von Fibr – einer Firma im Osten Stuttgarts, die sich bestens mit der Verarbeitung von Faserverbundstoffen auskennt. Als Ausgründung aus der Universität Stuttgart basiert ihre Expertise auf der mehrjährigen Forschung an Faserverbundwerkstoffen und deren robotischer Fertigung. Diese wird durch die Beteiligung an zahlreichen Projekten ergänzt, darunter der Fiber Pavilion auf der Bundesgartenschau 2019, der Urban Micro Climate Canopy sowie verschiedene Möbel und Raummodule.

Bild © Allmann Sattler Wappner Architekten, Menges Scheffler Architekten, Jan Knippers Ingenieure, Grauwald Studio Berlin.
» Mehr über FibR GmbH und die Fertigung von Faserverbundstrukturen.

Neben dem hohen Materialpreis stehen vor allem Umwelt- und Gesundheitsaspekte bei der Produktion und Verwendung von CFK in der Kritik. Verbrennt Carbon etwa, können möglicherweise krebserregende Stoffe eingeatmet werden. Das kann beispielsweise dann problematisch werden, wenn Ersthelfer Verunglückte nach einem Unfall aus einem mit CFK gebauten Auto retten müssen.

Ebenso kritisch kann die Herstellung der Carbonfasern gesehen werden. Sie werden auf Basis von Erdöl und unter Verwendung von giftigen Lösungsmitteln hergestellt. Durch die Verwendung der endlichen Ressource Erdöl ist das Material zudem sehr teuer. Bisher lohnt sich der Einsatz von CFK nur bei hochpreisigen Produkten und bestimmten Technologien, wie etwa der Luftfahrt. Wird beim Bau eines Flugzeugs mit CFK Gewicht eingespart, macht sich das wiederum bei dessen Treibstoffverbrauch positiv bemerkbar.

Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) entwickeln derzeit preisgünstigere Kohlenstofffasern aus einem alternativen Rohstoff. Im EU-Projekt LIBRE (Lignin-based carbon fibres for composites) erforschen sie Kohlenstofffasern auf Basis von Lignin. Dieses kommt in Pflanzen vor und verhilft Bäumen und Sträuchern zum Verholzen. Als eine Art Kleber verleiht es selbst meterhohen Bäumen Stabilität, sodass diese nicht einknicken. Als Nebenprodukt der Papierindustrie muss der nachwachsende Rohstoff jedoch nicht angebaut werden, sondern kann als Recyclingprodukt verwertet werden.

Zunächst wird das Lignin chemisch aufbereitet und im Schmelzspinnverfahren zu Fasern versponnen. Anders als beim Nassspinnverfahren, das bei erdölbasierten Fasern angewandt wird, kommen hier keine Lösungsmittel zum Einsatz. Anschließend werden sie wie die erdölbasierten Fasern im Hochtemperaturofen carbonisiert. Dabei steigt ihr Kohlenstoffanteil erheblich und sie erhalten die typische schwarze Farbe und die hervorragenden Eigenschaften. Die Kohlenstoffausbeute ähnelt der von herkömmlichen Carbonfasern. Die DITF testet demnächst die produzierten Fasern in Windrad- und Automobilelementen. Damit rückt die bereits in der 1960er/ 70er Jahren begonnene Forschung an Lignin basierten Carbonfasern einen großen Schritt in Richtung Anwendung.

» Mehr zur Forschung über Bio-Carbonfasern aus Lignin am DITF.