TY - THES A1 - Hückstaedt, Tobias T1 - Einfluss von Borsäure auf die chemisch-physikalischen Strukturänderungen während der Herstellung Cellulose-basierter Carbonfasern T1 - Effect of boric acid on the chemical-physical structural changes during the production of cellulose-based carbon fibers N2 - Dank der herausragenden spezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Carbonfasern ermöglicht ihr Einsatz im Leichtbau eine signifikante Gewichtsreduktion von Verbundwerkstoffbauteilen. Für diese Anwendungen werden nahezu ausschließlich Carbonfasern auf Basis von erdölbasierten Polyacrylnitril (PAN) verwendet. Alternative biogene Präkursorsysteme, wie beispielsweise Cellulose, gewinnen aufgrund ihres Potenzials zur CO2-Reduktion und ökonomischer Vorteile zunehmend an Interesse. Derzeit wird ihr Einsatz durch eine geringere Ausbeute bei der Herstellung und niedrigere mechanische Kennwerte eingeschränkt, was weitere Forschungsarbeiten, u. a. im Bereich der eingesetzten Prozesshilfsmittel, erforderlich macht. In der vorliegenden Arbeit wird die Auswirkung des Einsatzes von Borsäure als Additiv bei der Herstellung Cellulose-basierter Carbonfasern beleuchtet. Es wird die Hypothese verfolgt, dass Borsäure sich nicht nur positiv auf die Ausbeute bei der thermo-mechanischen Umwandlung, sondern auch auf die finale Struktur der Carbonfaser auswirkt. Aus zwei Präkursoren, einer mit Borsäure beladen und einer unmodifiziert als Referenz, werden unter Variation der Konvertierungsparameter in einem kontinuierlichen Prozess Carbonfasern hergestellt. Die chemische Umwandlung der Carbonfasern wird systematisch mittels Elementaranalyse (CHNS, ICP-OES, REM-EDX) und thermischer Analytik (DSC, TGA-MS, In-situ WAXS) untersucht und die physikalischen Strukturänderungen mit verschiedensten WAXS-Techniken verfolgt. Auch makroskopische Eigenschaften wie Dichte, spezifische elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte werden bestimmt und über verschiedene Modelle mit strukturellen Parametern korreliert. Bereits die thermischen Analysen zeigen eine starke Wechselwirkung zwischen Borsäure und dem Cellulose-basierten Präkursor auf. Im Vergleich zum unbehandelten Referenzsystem findet der Masseverlust bei geringen Temperaturen statt und die Ausbeute erhöht sich erheblich. Es wird gezeigt, dass Borsäureprodukte auch nach einer Temperaturbehandlung bei 2000 °C in den Carbonfasern verbleiben und bereits ab 1200 °C die Ausbildung einer kristallinen Kohlenstoffphase beschleunigen. Durch Anpassung der Prozessführung auf die Wirkungsweise des Additivs werden Cellulose-basierte Carbonfasern mit Elastizitätsmoduli auf dem Niveau von kommerziellen PAN-basierten Carbonfasern (230 GPa) mit stark erhöhter Leitfähigkeit hergestellt. Die makroskopischen und strukturellen Änderungen werden ganzheitlich unter Einführung der mikroskopischen Moduli im Rahmen des uniform stress Modells erklärt und als Ursache eine Reduktion von kovalenten Quervernetzungen der Basalebenen identifiziert. Als Folge wird das Kristallitwachstum weniger stark behindert und die Orientierbarkeit der kristallinen Phase während der Carbonisierung bei 2000 °C signifikant erhöht. N2 - Due to their outstanding specific strength and stiffness enable carbon fibers significant weight reduction in lightweight construction of composite components. For these applications, almost exclusively carbon fibers based on polyacrylonitrile are used. Alternative, biogenic precursor systems, such as cellulose, are gaining increasing interest due to their potential for CO2 reduction and possible economic advantages. Currently, their application is limited by lower yields in production and reduced mechanical properties, necessitating further research, including in the field of additives. In the present work, the effect of boric acid as an additive in the production of cellulose-based carbon fibers is examined. The hypothesis is that boric acid positively influences both the yield during conversion and the final structure of the carbon fiber. Two precursors, one loaded with boric acid and one unmodified as a reference, are used to produce carbon fibers in a continuous process while varying the conversion parameters. The chemical conversion of the carbon fibers is systematically analyzed using elemental analysis (CHNS, ICP-OES, SEM-EDX) and thermal analysis (DSC, TGA-MS, in-situ WAXS) and the physical structural changes are tracked using various WAXS techniques. Macroscopic properties such as density, specific electrical conductivity, and mechanical properties are also determined and correlated with structural parameters using different models. The thermal analyses already show a strong interaction between boric acid and the cellulose-based precursor. Compared to the untreated reference system, the mass loss occurs at lower temperatures and the yield increases drastically. It is demonstrated that boric acid products remain in the carbon fibers even after heat treatment at 2000 °C and that they accelerate the formation of crystalline structures starting at 1200 °C. By adapting the process to the mechanism of the additive, cellulose-based carbon fibers with elastic moduli at the level of commercial standard-modulus carbon fibers (230 GPa) and significantly increased conductivity are produced. The macroscopic and structural changes are comprehensively explained by introducing the microscopic moduli within a uniform stress model. The shear modulus of the basal planes normal to the c-axis, a direct measure of the density of covalent cross-links, decreases by 40% due to the use of boric acid. As a result, crystallite growth is less hindered and the orientability of the crystalline phase during conversion at 2000 °C is tripled. KW - Carbonfasern KW - Cellulose KW - Nachwachsende Rohstoffe KW - Borsäure KW - Carbonisierung KW - Carbon fibers KW - Cellulose KW - Renewable resources KW - Boric acid KW - Carbonization KW - Kohlenstofffaser KW - Cellulose KW - Borsäure KW - Festigkeit KW - Leichtbau KW - Nachwachsender Rohstoff Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69083 ER -