Recycelbar, reparierbar und robust: Neues Epoxidharz für die Kreislaufwirtschaft

Epoxidharze werden in Kombination mit Glas- oder Kohlenstofffasern zur Herstellung von Bauteilen für Flugzeuge, Autos, Züge, Schiffe und mehr verwendet. Die faserverstärkten Kunststoffe auf Basis von Epoxidharzen haben hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften, sind leichter als Metall, aber bisher nicht recycelbar. Empa-Forschende haben nun den ersten feuerfesten Kunststoff auf Epoxidharzbasis entwickelt, der genau dies ermöglicht.

Im Interview mit dem K-MAG sprechen Dr. Wenyu Wu Klingler und Dr. Sabyasachi Gaan vom Empa-Labor "Advanced Fibers" über den neuen Kunststoff, dessen Vorteile und die chemischen Prozesse zu dessen Herstellung.

Können Sie mir etwas über den neuen Kunststoff erzählen, den Sie gemeinsam entwickelt haben?

Wenyu Wu Klingler: Es gibt zwei Arten von Kunststoffen: Thermoplaste und Duromere. Thermoplastische Kunststoffe können geschmolzen und verformt werden. Im Gegensatz dazu werden Duromere fest, wenn sie ausgehärtet sind. Epoxidharz ist ein Duromer und bis zu einer bestimmten Temperatur sehr robust und normalerweise nicht recycelbar.

Bei unserer Arbeit wird die Bindung, die das Molekül innerhalb der ausgehärteten Epoxidpolymerketten bildet, durch den Einsatz einer speziellen Phosphorchemie reversibel, das heißt sie kann unter bestimmten Bedingungen gebrochen und wieder neu geknüpft werden. Dadurch wird die Vernetzung der Polymerketten gelockert, sodass sie "erweicht/geschmolzen" und neu geformt werden können. So kann es nach Gebrauch wieder repariert werden. Das von uns entwickelte Material hat eine Phosphorfunktionalität, was bedeutet, dass es auch feuerfest und mechanisch widerstandsfähig ist.

Was war für Sie der spannendste Aspekt der Entwicklung?

Sabyasachi Gaan: Als wir anfingen, mit Epoxidharz zu arbeiten, untersuchten wir dessen Entflammbarkeit. Es war nicht unser primäres Ziel, es recycelbar zu machen. Wir haben viel Erfahrung in der Entwicklung von Brandschutzmaterialien und nutzten das reaktive Monomer, um flammhemmende Epoxidmaterialien zu entwickeln.

Wir stellten dann fest, dass das Material beim Erhitzen weich zu werden schien, und begannen, die Recyclingfähigkeit des Materials zu untersuchen. Wir änderten die Konzentration des Monomers und konnten es nicht nur flammhemmend, sondern auch recycelbar machen.

Warum war die Entwicklung von recycelbarem Epoxidharz bisher eine Herausforderung?

Klingler: Das Besondere an unserer Entwicklung ist, dass wir die Recyclingfähigkeit gewährleisten, ohne dass die mechanische Leistung und die Brandsicherheit darunter leiden. Es gibt andere Gruppen, die auf diesem Gebiet arbeiten, aber es ist schwierig, Machbarkeit, Skalierbarkeit, Materialleistung und Recyclingfähigkeit gleichzeitig zu erreichen. Unser Material bietet mit einem einfacheren Ansatz eine sehr ausgewogene Leistung.

Gaan: Epoxidharze enthalten Bindungen, die nicht gebrochen werden können. Und für das Recycling braucht man Bindungen, die gespalten und wieder neu gebildet werden können. Duromere bestehen aus Vernetzungen, und um sie recycelbar zu machen, muss man die starken Bindungen der Duromere durch schwache und reversible Bindungen ersetzen. Sie sind Teil eines größeren Konzepts namens "kovalente anpassungsfähige Netzwerke". Die Herausforderung besteht darin, von einem System mit ausschließlich starken Bindungen zu einer Mischung aus starken und schwachen Bindungen überzugehen. Je nachdem, welche Art von schwachen Bindungen man einsetzt, muss man sich mit anderen Herausforderungen auseinandersetzen, z. B. mit einem Verlust an mechanischer Leistung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es schon immer eine Herausforderung war, die Chemie mit der Leistung des Materials über einen längeren Zeitraum in Einklang zu bringen.

Wofür ist Ihr recycelbares Epoxidharz besonders geeignet und wofür nicht?

Klingler: Es eignet sich für faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die im Verkehrswesen, in der Luftfahrt, im Bauwesen und in anderen Bereichen eingesetzt werden können, in denen die Brandsicherheit ein wichtiges Anliegen ist. Darüber hinaus kann es auch für die Beschichtung von Holz verwendet werden. Es handelt sich um eine transparente, selbstheilende und schützende Beschichtung, die zudem brandsicher ist. Darüber hinaus können solche Materialien auch in gedruckten Schaltungen verwendet werden, wo am Ende der Lebensdauer Edelmetalle durch Ablösen zurückgewonnen werden können. Auch fortgeschrittene Materialien, die Thermoplaste und solche Vitrimere in strukturellen Anwendungen kombinieren, könnten von Interesse sein.  Wir haben nicht ein einzelnes Material für einen bestimmten Zweck entwickelt. Die Flammfestigkeit, die Recyclingfähigkeit und die Reparierbarkeit ermöglichen es, das Material je nach Verwendungszweck zu optimieren.

Wie tragen Sie mit Ihrer Entwicklung zu einer nachhaltigeren Kunststoffindustrie bei?

Gaan: Die meisten Duromere werden entweder deponiert oder verbrannt. Dabei geht das gesamte Material, einschließlich sehr wertvoller Ressourcen, verloren.

Was wir anbieten, ist ein neues Material, das durch thermomechanische Verfahren, Selbstheilung und chemisches Recycling recycelt werden kann. Unser Traum ist es, alle Komponenten, die für den Aufbau des duromeren Materials verwendet werden, zu zerlegen und jede einzelne Komponente wiederzugewinnen und wiederzuverwerten, um so eine Kreislaufwirtschaft zu schaffen.

Wir bieten dies an, wobei wir auch die Funktionalität des Materials berücksichtigen. Andere Forschungsgruppen haben ebenfalls recycelbare Duromere entwickelt, befassen sich aber nicht gleichzeitig mit dem Brandschutz. Wir heben uns dadurch ab, dass wir beides in einer Lösung und für viele Anwendungen anbieten. Dies ist sehr wichtig, da bei der Verwendung an öffentlichen Orten immer ein Brandschutz erforderlich ist.

Haben Sie irgendwelche zukünftigen Projekte geplant, von denen Sie mir erzählen können?

Klingler: Derzeit arbeiten wir an einem Projekt, bei dem wir einen naturfaserverstärkten Verbundwerkstoff für verschiedene Anwendungen, einschließlich verschiedener Transportbereiche, entwickeln wollen.

Gaan: In einem weiteren Projekt arbeiten wir auch an faserverstärkten Kunststoffen (Glas und Kohlenstoff).

Die von uns entwickelte Chemie ist vielseitig, und wir hoffen, dass wir dieselbe Idee auch auf andere Arten von Duromeren übertragen können, z. B. auf Polyurethane, die auch für Beschichtungen und Klebstoffe verwendet werden, und auf ungesättigte Polyester, die hauptsächlich zur Herstellung von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden.