Hochleistungsfähige Biopolymer-Verbundwerkstoffe auf zerlegbare Art konzipieren
Duroplastische Verbundwerkstoffe kommen häufig in Anwendungen zum Einsatz, die hohen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten müssen, etwa bei Strukturbauteilen von Flugzeugen und Windkraftanlagen. Diese Materialien verdanken ihre Robustheit ihrer einzigartigen Struktur, die eine Kombination aus wärmehärtbarer Polymermatrix und Verstärkungsfasern, meist Glas oder Kohlenstoff, darstellt. Nach der irreversiblen „Aushärtung“ verleiht diese dreidimensionale vernetzte Struktur den Produkten Festigkeit und Steifigkeit, sodass sie ihre Form behalten und das Schmelzen verhindert wird. Bei der Produktion besteht jedoch eine Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen, die giftig sein können. Außerdem sind sie schwer recycelbar, wobei voraussichtlich allein die Flugzeug- und Windkraftanlagenindustrie bis 2050 jährlich 840 300 Tonnen Abfall aus Kohlenstoff- und Glasfaserverbundwerkstoffen erzeugen wird. „Die verfügbaren Recyclingverfahren sind üblicherweise entweder energieintensiv, somit kostspielig und nicht nachhaltig, oder sie verschlechtern erheblich die Qualität, was die Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Außerdem steht bei diesen Verfahren häufig die Rückgewinnung der wertvollen Fasern im Mittelpunkt, während die Polymermatrix aussortiert wird, was ihre Wiederverwendung einschränkt“, erklärt die Koordinatorin des Projekts ESTELLA, Laura Matesanz von der Cidaut Foundation in Spanien. Um eine nachhaltigere Alternative anzubieten, hat das Team von ESTELLA die vernetzte Struktur traditioneller duroplastischer Materialien mithilfe biobasierter, recycelbarer kovalenter adaptiver Netzwerke umgestaltet.
Ansatz mit kovalenten adaptiven Netzwerken
Die erste Herausforderung des Projekts ESTELLA, das dreizehn Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus acht europäischen Ländern umfasst, bestand darin, die kovalenten adaptiven Netzwerke in Epoxidharze einzuarbeiten, um die duroplastischen dreidimensionalen Matrizen zu bilden. Kovalente adaptive Netzwerke sind ideal, da diese Polymerstrukturen aus chemischen Bindungen bestehen, die sich unter speziellen Reizen wie Wärme, UV-Licht oder Veränderungen des Säuregehalts auflösen und neu bilden können, was bedeutet, dass sie sowohl bei der Herstellung als auch beim Recycling leichter manipulierbar sind. Die Diels-Alder-Reaktion kam zunächst zum Einsatz, um die chemischen Bindungen der kovalenten adaptiven Netzwerke zu „entschlüsseln“ und sie in die Epoxidharze zu integrieren. Die nächste Aufgabe lautete, die am besten kompatiblen biobasierten Fasern für die Matrizen zu finden. Nach Prüfung zahlreicher Optionen fiel die Wahl auf Hanf und Nanozellulose. Um die richtige Materialkonfiguration zu gewährleisten, wurden die resultierenden Verbundwerkstoffe zu verschiedenen Platten verarbeitet und einer Reihe von Tests unterzogen, um relevante Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Flexibilität sicherzustellen. Um zu erkunden, wie sich die Materialien in realen Anwendungsfällen bewähren, arbeitet das Team nun an der Produktion von Prototypen, zunächst im Bereich der Mobilitäts- und Bauanwendungen. Gegenwärtig werden eine Fußraste für Motorroller unter Einsatz eines Verbundwerkstoffs aus Hanffasern und ein Fensterprofil mit einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Nanozellulosefasern hergestellt. Zur Ermittlung optimaler Recyclingoptionen passt das Team außerdem verschiedene bereits existierende Verfahren an. Im Mittelpunkt stehen chemische Ansätze zur Veränderung der Molekularstruktur von Verbundwerkstoffen, aber auch das mechanische Recycling wird erforscht. „Durch Beibehaltung der ursprünglichen mechanischen und thermischen Eigenschaften recycelter Materialien werden sie besser wiederverwendbar, daher optimieren wir unsere Recyclingverfahren, um die Fasern und die Polymermatrix zurückzugewinnen“, fügt Matesanz hinzu.
Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit sichern
Recycelbare duroplastische Verbundwerkstoffe auf Biobasis werden dazu beitragen, die Abhängigkeit Europas von neugewonnenen fossilen Rohstoffen zu verringern und gleichzeitig die Abfallmenge zu minimieren. Dadurch werden wichtige EU-Initiativen wie der europäische Grüne Deal und der Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft unterstützt. Um den Umweltbeitrag von ESTELLA zu quantifizieren, wird das Team Lebenszyklusanalysen zu den Auswirkungen seiner Lösung auf den Klimawandel, die Erschöpfung fossiler Ressourcen und die Versauerung des Bodens im Vergleich zu konventionellen Verfahren durchführen. Außerdem folgen Studien zur wirtschaftlichen Realisierbarkeit einschließlich der Skalierbarkeit der erforderlichen Fertigungs- und Recyclingverfahren. „Die Bereitstellung nachhaltigerer Werkstoffe für europäische Sektoren wie den Verkehr und das Bauwesen wird verantwortungsvollere industrielle Praktiken nach sich ziehen. Auf diese Weise werden nicht nur Produkte hervorgebracht, die den Menschen und der Umwelt zugutekommen, sondern es wird gleichermaßen dazu beigetragen, dass europäische Unternehmen weltweit an vorderster Front des grünen Wandels stehen“, bekräftigt Matesanz.
Schlüsselbegriffe
ESTELLA, Polymer, Fasern, Windkraftanlage, Flugzeug, Duroplast, Recycling, Verbundwerkstoffe, Abfall, Epoxidharz, Hanf, Nanozellulose, biobasiert, Motorroller, Fenster
