Forscher des Advanced Fibers Laboratory des Empa haben ein Recycling-, Reparatur- und flammhemmendes Kunststoffharz auf Epoxidharzbasis entwickelt. Epoxidharze sind normalerweise nicht recycelbar, da sie sich aufgrund ihrer thermoplastischen Eigenschaften nicht neu formen lassen. Im Gegensatz dazu können thermoplastische Materialien geschmolzen und umgeformt werden, haben jedoch schlechtere mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Die Forscher fügten der neuen Harzmatrix ein Phosphonatester-Molekül hinzu, das dynamische Bindungen mit den Polymerketten eingeht und sie dadurch schmelz- und formbar macht. Diese Materialklasse, genannt Vitrimere, ist seit etwa zehn Jahren bekannt und wird als vielversprechend für das Recycling von faserverstärkten Verbundwerkstoffen angesehen. Das Ziel besteht darin, Verbundwerkstoffe zu schaffen, bei denen sowohl die Fasern als auch die Kunststoffmatrix getrennt und wiederverwendet werden können. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, die häufig in Flugzeugen, Booten und Autos verwendet werden, haben einen großen ökologischen Fußabdruck, daher wäre deren Recycling vorteilhaft. Das Material kann auch zur Beschichtung von Holzböden verwendet werden und bietet flammhemmende Eigenschaften sowie die Möglichkeit, Kratzer und Dellen zu reparieren. Die Forscher suchen nach industriellen Partnern, um verschiedene Anwendungen voranzutreiben. Das modifizierte Epoxidpolymer ist kostengünstig und einfach herzustellen.
Einführung
Das Labor für fortschrittliche Fasern an der Empa hat einen Durchbruch bei der Entwicklung eines neuen Kunststoffs erzielt, der nicht nur recycelbar, sondern auch reparierbar und flammhemmend ist. Diese Innovation löst das langwierige Problem des Recyclings von Epoxidharzen, die aufgrund ihrer duroplastischen Eigenschaften traditionell schwer umzuformen sind. Durch Zugabe eines Phosphonatestermoleküls zur Harzmatrix haben die Forscher ein dynamisches Bindungssystem geschaffen, das den Kunststoff schmelz- und umformbar macht und somit recycelbar. Diese neue Art von Kunststoff, bekannt als Vitrimer, könnte die Recyclingmöglichkeiten von faserverstärkten Verbundwerkstoffen verbessern und zur Reduzierung der Umweltauswirkungen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen beitragen.
Die Herausforderung des Recyclings von Epoxidharzen
Epoxidharze werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften, hohen thermischen Stabilität und chemischen Beständigkeit in verschiedenen Branchen weit verbreitet eingesetzt. Ihre duroplastische Natur stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung beim Recycling dar. Im Gegensatz zu thermoplastischen Kunststoffen, die geschmolzen, umgeformt und recycelt werden können, unterliegen Epoxidharze irreversiblen chemischen Reaktionen während des Aushärtungsprozesses, was zu einer dauerhaften vernetzten Struktur führt. Diese Vernetzung verhindert, dass sie mit traditionellen Methoden umgeformt oder recycelt werden können.
Das Potenzial von Vitrimeren
Forscher haben das Potenzial von Vitrimeren zur Lösung des Problems des Recyclings von Epoxidharzen untersucht. Vitrimer sind eine Klasse von Materialien, die aufgrund ihrer polymeren Matrix über dynamische Bindungen verfügen. Diese dynamischen Bindungen ermöglichen es dem Material, reversible Reaktionen bei Hitze oder bestimmten Chemikalien durchzuführen, wodurch Umformung und Recycling ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften möglich sind.
Zusatz von Phosphonatestermolekülen
Im Labor für fortschrittliche Fasern der Empa haben Forscher erfolgreich die Epoxidharzmatrix durch Zugabe von Phosphonatestermolekülen modifiziert. Diese Moleküle bilden dynamische Bindungen mit den Polymerketten und ermöglichen somit die notwendige Umformbarkeit und Recyclingfähigkeit. Die Zugabe von Phosphonatestern macht es möglich, dass das Epoxidharz vitrimeres Verhalten zeigt und somit ein vielversprechender Kandidat für das Recycling von faserverstärkten Verbundwerkstoffen ist.
Vorteile des neuen Kunststoffs auf Epoxidharzbasis
Die Entwicklung eines recycelbaren und reparierbaren Kunststoffs auf Epoxidharzbasis bringt mehrere Vorteile mit sich und eröffnet neue Möglichkeiten für verschiedene Branchen. Einige der Hauptvorteile sind:
Verringerung des ökologischen Fußabdrucks
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, die häufig in Flugzeugen, Booten und Autos eingesetzt werden, haben einen erheblichen ökologischen Fußabdruck. Die Möglichkeit, diese Materialien zu recyceln, würde einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten und den Bedarf an Rohstoffen verringern. Durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen, bei denen sowohl die Fasern als auch die Plastikmatrix separat getrennt und wiederverwendet werden können, bietet der neue Kunststoff auf Epoxidharzbasis einen Weg zur Kreislaufwirtschaft in diesen Branchen.
Flammhemmende Eigenschaften
Neben seiner Recyclingfähigkeit weist das modifizierte Epoxidharz auch flammhemmende Eigenschaften auf. Dadurch eignet es sich ideal für Anwendungen, die eine Brandschutzbeständigkeit erfordern, wie zum Beispiel die Beschichtung von Holzböden. Die flammhemmenden Eigenschaften erhöhen die Sicherheit und bieten eine strapazierfähige und reparierbare Oberfläche, die kratz- und stoßfest ist.
Potentielle Anwendungen
Die vielseitige Natur des modifizierten Epoxidharzes eröffnet eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen in verschiedenen Branchen. Einige mögliche Anwendungen sind:
Luft- und Raumfahrtindustrie
Kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet eingesetzt. Die Fähigkeit, diese Verbundwerkstoffe zu recyceln und zu reparieren, würde die Umweltauswirkungen reduzieren und die Nachhaltigkeit dieser Branche verbessern. Der modifizierte Kunststoff auf Epoxidharzbasis könnte in der Flugzeugfertigung Anwendung finden und so zu umweltfreundlichen und kostengünstigen Lösungen führen.
Automobilindustrie
Auch die Automobilindustrie setzt stark auf kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, um das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Durch die Integration des recycelbaren und reparierbaren Epoxidharzes würde die Branche ihre Nachhaltigkeitsziele erreichen, indem Materialien wiederverwendet und Abfall reduziert werden. Darüber hinaus machen die flammhemmenden Eigenschaften und die Reparierbarkeit das Material geeignet für die Herstellung von Innenraumkomponenten wie Armaturenbrettern und Türverkleidungen.
Maritime Industrie
Der Bootsbau und maritime Anwendungen nutzen oft faserverstärkte Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und Leichtigkeit. Durch die Einführung des recycelbaren Epoxidharzes können die maritime Industrie erheblich zur Verringerung ihrer Umweltauswirkungen beitragen und nachhaltigere Praktiken übernehmen. Die Möglichkeit, Kratzer und Dellen zu reparieren, erhöht zudem die Haltbarkeit und Lebensdauer von Schiffen.
Bauindustrie
Die Bauindustrie kann von den flammhemmenden und reparierbaren Eigenschaften des modifizierten Epoxidharzes profitieren. Es kann zur Beschichtung von Holzböden verwendet werden und bietet eine sichere und langlebige Lösung. Die Möglichkeit, Kratzer und Dellen ohne vollständigen Austausch zu reparieren, reduziert erheblich die Wartungskosten und verlängert die Lebensdauer des Bodenbelags.
Schlussfolgerung
Der von den Forschern des Labors für fortschrittliche Fasern an der Empa erzielte Durchbruch bei der Entwicklung eines recycelbaren, reparierbaren und flammhemmenden Kunststoffs auf Epoxidharzbasis eröffnet neue Möglichkeiten für das Recycling von faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Durch die Zugabe von Phosphonatestermolekülen wurde das Epoxidharz zu einem Vitrimer umgewandelt, wodurch es geschmolzen, umgeformt und recycelt werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Der modifizierte Kunststoff auf Epoxidharzbasis bietet eine Lösung für das langjährige Problem des Recyclings von Epoxidharzen und bietet zahlreiche Vorteile in verschiedenen Branchen, darunter die Verringerung des ökologischen Fußabdrucks, flammhemmende Eigenschaften sowie die Möglichkeit zur Reparatur von Kratzern und Dellen. Aufgrund seiner erschwinglichen Herstellung und einfachen Verarbeitung werden industrielle Partner gesucht, um verschiedene Anwendungen für dieses innovative Material zu erkunden und umzusetzen.
