Vollständig wiederverwertbar: Neues Epoxidharz kann Flugzeugkabinen vollständig recyclebar machen

Epoxidharz gilt als Bindeglied moderner Materialwissenschaft. Es verschweißt unterschiedliche Werkstoffe zu Verbundmaterialien, deren Eigenschaften die der einzelnen Komponenten übertreffen. Nach dem Aushärten lässt sich diese Verbindung jedoch kaum wieder trennen. Forscher:innen der Empa haben gemeinsam mit dem Chemieunternehmen Elantas nun ein Epoxidharz entwickelt, das sich vollständig recyceln lässt und gleichzeitig als Flammschutz wirkt. Den Unterschied macht ein phosphorhaltiger Zusatzstoff, der bereits während der Herstellung ins Epoxid gemischt wird.

Ein Sandwich aus drei Materialien

Kabinenböden von Flugzeugen und Zügen bestehen aus einem leichten Wabenkern aus Aramid, der hitzebeständigen Polymerfamilie, zu der auch Kevlar zählt. Darüber und darunter liegen gewebte Schichten aus Glas- oder Kohlefaser. Epoxidharz durchtränkt die Fasern und verklebt die Schichten mit dem Wabenkern zu einer steifen, leichten Struktur. Genau diese Verklebung wird am Ende der Nutzungsdauer zum Problem. Die wertvollen Fasern und der teure Aramid-Wabenkern bleiben im ausgehärteten Epoxid gefangen. Verbundwerkstoffe aus Epoxid landen deshalb meist in der Verbrennungsanlage oder auf der Deponie.

Phosphor lockert das Netzwerk

Empa-Forscher Sabyasachi Gaan vom Labor Advanced Fibers beschreibt die Herausforderung so: Wer ein Material flammhemmend macht, verändert meist auch dessen übrige Eigenschaften. Die Empa-Chemie löst dieses Problem mit reaktiven phosphorhaltigen Molekülen, die Phosphor-Kohlenstoff- und Phosphor-Sauerstoff-Bindungen ins Netzwerk einbauen. Unter Hitze tauschen diese Bindungen ihre Partner aus, wodurch sich das sonst starre Netzwerk umlagern kann. Grundlage dafür ist eine reaktive Bis-H-Phosphonat-Verbindung, die die Empa-Forschenden vor dem Aushärten in das Epoxid einmischen. Frühere Versuche zeigten bereits, dass sich einfache Epoxidstrukturen über solche Austauschreaktionen umformen lassen, sofern der Phosphoranteil hoch genug ausfällt.

Der Kabinenboden zerlegt sich in seine Bestandteile

Im gemeinsamen Projekt mit Elantas übertrugen die Forschenden das Prinzip erstmals auf einen kompletten Sandwich-Verbundwerkstoff, wie ihn Flugzeughersteller für Kabinenböden verbauen. Mit Hitze und einem passenden Lösungsmittel brach das Team das Epoxidnetzwerk so weit auf, dass sich Aramid-Wabenkern und Fasern voneinander trennen und zurückgewinnen ließen. Das Harz selbst durchläuft diesen Kreislauf noch nicht. Die Forschenden halten die Rückgewinnung aus der Lösung für möglich und wollen sie in künftigen Projekten angehen.

Brandschutz bleibt trotz Recycling erhalten

Ein Phosphoranteil von 5 Prozent oder mehr ist für ein wirksames Recycling nötig. Schon bei 2,5 Prozent Phosphor sank im Kegelkalorimeter-Test die maximale Wärmefreisetzung um 75 Prozent, die Rauchentwicklung um 72,5 Prozent gegenüber einem herkömmlichen Duromer. Das mit Elantas entwickelte Material erfüllt laut Empa die geltenden Brandschutzvorschriften und erreicht nahezu dieselben mechanischen Eigenschaften wie gewöhnliches Epoxid. „Für die Luftfahrtindustrie ist es entscheidend, Brandschutz, Leichtbau und Rezyklierbarkeit zu vereinen. Dieses Epoxid-Verbundsystem zeigt, dass das nun erstmals möglich ist„, sagt Fiorenzo Lenzi, Leiter der Produktlinie Aerospace/Ballistic bei Elantas.

Die Chemie beschränkt sich nicht auf Flugzeuge. Faserverstärkte Epoxid-Verbundwerkstoffe stecken auch in Autos, Zügen, Schiffen und Windturbinen, wo die Herstellung großer Mengen Kohlefaser viel Energie kostet. Gaans Team prüft bereits Anwendungen im Energie- und Baubereich. Als Nächstes wollen die Projektpartner sowohl die Herstellung als auch das Recycling in größerem Maßstab erproben.

via Empa