Neuartige biobasierte und recycelbare faserverstärkte duroplastische Verbundstoffe
Faserverstärkte duroplastische Verbundstoffe sind eine vielseitige Gruppe von Materialien, die in zahlreichen Branchen eingesetzt wird. Bei allen wird ein duroplastisches Harz um Strukturfasern herum geformt. Bekannte Beispiele sind Glasfaser und Kohlenstofffaser. Teile aus faserverstärkten duroplastischen Verbundstoffen sind im Allgemeinen leicht und stabil und eignen sich daher für den Einsatz in der Hochleistungsindustrie. Allerdings sind faserverstärkte duroplastische Verbundstoffe nicht umweltfreundlich. Da sie sich praktisch nicht reparieren oder recyceln lassen, wurden Produkte aus faserverstärkten duroplastischen Verbundstoffen als Wegwerfprodukte konzipiert. Dies führt jedoch zu einem Abfallproblem. Zur Umweltbelastung kommt hinzu, dass die Fasern und Harze aus nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen hergestellt werden und für ihre Produktion große Mengen an Energie benötigt wird. Die Industrie braucht eine neue Art von wiederaufbereitbaren faserverstärkten duroplastischen Verbundstoffen, die vom EU-finanzierten Projekt ECOXY hergestellt wurden. Im Laufe des Jahres 2014 patentierte das spanische Forschungsinstitut Cidetec eine Gruppe von duroplastischen Harzen und Verbundstoffen. Diese bewahrten die gute Leistung der aktuellen Generation, waren aber im Gegensatz zu den aktuellen Verbundstoffen reparabel, recycelbar und reprozessierbar (3R). ECOXY ging noch einen Schritt weiter und führte neue biobasierte Epoxidharze für die Herstellung einer Harz-3R-Matrix ein, die zudem noch erneuerbar ist. Biobasierte Fasern wurden als Verstärkungsmaterial für die Herstellung von 3R-Verbundstoffen verwendet. Diese sind umweltfreundlicher als die bisherigen Verbundstoffe und ein geeigneter Ersatz für die bisherigen faserverstärkten duroplastischen Verbundstoffe. Das ECOXY-Projekt erhielt Fördermittel vom Gemeinsamen Unternehmen für biobasierte Industriezweige, einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der EU und der Industrie.
Eine neue Reihe von Harzen
Die Verwendung eines dynamischen Härtungsmittels zur Aushärtung der entwickelten biobasierten Epoxide ist der Schlüssel zur Recyclingfähigkeit. Die Dynamik dieses Harzes eröffnet durch die Kombination mehrerer Techniken Möglichkeiten für das Recycling. Dazu gehören: das Zerkleinern eines faserverstärkten duroplastischen Verbundstoffes in kleine Stücke oder Pulver, die dann mit Hilfe von Hitze und Druck in eine neue Form gebracht werden; andernfalls kann das dynamische Harz in einem Lösungsmittel aufgelöst werden, dem ein bestimmtes chemisches Mittel hinzugefügt wird, sodass die Fasern wiederverwendet werden können. „Die Kombination neuer Harze mit einem dynamischen Härtungsmittel macht die Reparatur von Faser-Matrix-Delaminationsschäden und Matrix-Mikrorissen möglich“, erklärt Projektkoordinatorin Aratz Genua. „Außerdem können wir ausgehärtete Laminate zu neuen 3D-Teilen weiterverarbeiten.“ Zu den biologischen Quellen für die neuen Harze gehören Lignin (der Strukturbestandteil von Holz), Braunalgen sowie Pflanzenöle. Verschiedene Kombinationen ergeben Harze mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Fasern wurden aus Flachs oder einem thermoplastischen Polyester, Polylactid (PLA), gewonnen.
Industrielle Validierung und weitere Entwicklung
Die vielversprechendsten Harze und Fasern kamen bei einer Demo-Anwendung zum Einsatz: die Rücksitzrückwand des Autos Lancia Ypsilon, siehe Foto oben. „Bei Gebrauch kann das Harz im Verbundstoff Mikrorisse in seiner Struktur bekommen“, merkt Genua an. „Jetzt kann das Teil mit Hilfe von Hitze und Druck repariert werden, anstatt es zu ersetzen.“ Das ECOXY-Team erreichte einen Technologie-Reifegrad 5, was bedeutet, dass die Entwicklung in einer industriellen Umgebung bestätigt wurde. Der Lancia-Demonstrator wurde erfolgreich gefertigt und getestet. Vertreter der Automobilbranche haben Interesse an den neuen Materialien bekundet. Von der Marktreife sind sie jedoch noch weit entfernt. Insbesondere die neuen Fasern auf Flachsbasis lassen sich nicht mit Glas- oder Kohlenstofffasern vergleichen und bleiben für Hochleistungsbereiche vorerst ungeeignet. Dennoch können die Flachsfasern für Anwendungen mit geringeren Leistungsanforderungen eingesetzt werden. Als nächstes wird das Team mit der Weiterentwicklung der Techniken auf eine höhere Reifegradstufe fortfahren.
Schlüsselbegriffe
ECOXY, Harz, biobasiert, wiederverarbeitbar, faserverstärktes Duroplast, Härtungsmittel, recycelbar
