Neues Epoxidharz widersteht Flammen und reduziert den Abfall

Empa-Forscher haben ein Epoxidharz entwickelt, das repariert und recycelt werden kann und darüber hinaus flammhemmend und mechanisch stabil ist. Mögliche Anwendungen reichen von der Beschichtung von Holzböden bis hin zu Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Schienenverkehr.

Epoxidharze sind robuste und vielseitige Polymere. In Kombination mit Glas- oder Kohlefasern werden sie beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Flugzeuge, Autos, Züge, Schiffe und Windkraftanlagen verwendet. Solche faserverstärkten Polymere auf Epoxidbasis verfügen über hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften und sind viel leichter als Metall. Ihre Schwäche: Sie sind nicht recycelbar – zumindest noch nicht.

Jetzt haben Empa-Forschende unter der Leitung von Sabyasachi Gaan am Empa-Labor „Advanced Fibers“ einen Kunststoff auf Epoxidharzbasis entwickelt, der vollständig recycelbar, reparierbar und zudem flammhemmend ist – und das alles unter Beibehaltung der günstigen thermomechanischen Eigenschaften von Epoxidharzen. Ihre Ergebnisse haben sie im veröffentlicht Zeitschrift für Chemieingenieurwesen.

Das Recycling von Epoxidharzen ist alles andere als trivial, denn es handelt sich bei diesen Kunststoffen um sogenannte Duroplaste. Bei diesem Polymertyp sind die Polymerketten eng vernetzt. Diese chemischen Vernetzungen machen ein Schmelzen unmöglich. Sobald der Kunststoff ausgehärtet ist, lässt er sich nicht mehr umformen.

Bei Thermoplasten wie PET oder Polyolefinen ist dies nicht der Fall. Ihre Polymerketten liegen eng beieinander, sind aber nicht chemisch miteinander verbunden. Beim Erhitzen können diese Polymere geschmolzen und in neue Formen gebracht werden. Allerdings sind ihre mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen aufgrund der fehlenden Vernetzung im Allgemeinen nicht so gut wie die von Duroplasten.

Eine neue Art von Polymer

Das einzigartige Epoxidharz, das die Empa-Forscher in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern entwickelt haben, ist technisch gesehen ein Duroplast – aber im Gegensatz zu anderen Duroplasten lässt es sich wie ein Thermoplast umformen. Der Schlüssel liegt in der Hinzufügung eines ganz besonderen funktionellen Moleküls aus der Klasse der Phosphonatester in die neue Harzmatrix.

„Wir haben dieses Molekül ursprünglich als Flammschutzmittel synthetisiert“, sagt Miterfinder dieser Technologie und Empa-Wissenschaftler Wenyu Wu Klingler. Allerdings ist die Bindung, die das Molekül mit den Polymerketten des Epoxidharzes eingeht, dynamisch und kann unter bestimmten Bedingungen gelöst werden. Dadurch wird die Vernetzung der Polymerketten gelöst, so dass diese geschmolzen und umgeformt werden können.

Solche Materialien, auch Vitrimere genannt, sind erst seit etwa zehn Jahren bekannt und gelten als besonders vielversprechend. „Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind heute überhaupt nicht mehr recycelbar, außer unter sehr harten Bedingungen, die die gewonnenen Fasern schädigen“, erklärt Wu Klingler. „Sobald sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, werden sie verbrannt oder auf Mülldeponien entsorgt. Mit unserem Kunststoff wäre es erstmals möglich, sie wieder in den Kreislauf zu bringen.“

„Unsere Vision für die Zukunft“, fügt Gruppenleiter Sabyasachi Gaan hinzu, „ist ein Verbundwerkstoff, bei dem sowohl die Fasern als auch die Kunststoffmatrix vollständig getrennt und wiederverwendet werden können.“ Eine Chance sieht der Forscher vor allem in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, wie sie häufig beim Bau von Flugzeugen, Zügen, Booten, Autos, Fahrrädern und mehr zum Einsatz kommen.

„Die Herstellung von Carbonfasern erfordert viel Energie und setzt enorme Mengen CO2 frei“, erklärt er. „Wenn wir sie recyceln könnten, wäre ihr ökologischer Fußabdruck viel besser – und der Preis wäre viel niedriger.“ Darüber hinaus wäre die Rückgewinnung wertvoller Elemente wie Phosphor, der an das Matrixpolymer gebunden ist, möglich.

Ein Material nach Maß

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind nicht die einzige Anwendung für das neue Polymer. Man könnte damit beispielsweise Holzböden beschichten, als transparente, widerstandsfähige Schicht mit guten flammhemmenden Eigenschaften – und wo Kratzer und Dellen mit etwas Druck und Hitze „geheilt“ werden können.

„Wir haben kein einzelnes Material für einen bestimmten Zweck entwickelt, sondern einen Werkzeugkasten“, erklärt Gaan. „Flammwidrigkeit, Recyclingfähigkeit und Reparierbarkeit sind selbstverständlich. Alle anderen Eigenschaften können wir je nach Verwendungszweck optimieren.“ Für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen seien beispielsweise Fließeigenschaften besonders wichtig, außerdem sollten Holzanstriche im Außenbereich witterungsbeständig sein.

Um diese und weitere Anwendungen des Materials zu verfolgen, suchen die Forscher nun nach Industriepartnern. Die Chancen auf einen kommerziellen Erfolg stehen gut: Neben all seinen weiteren vorteilhaften Eigenschaften ist das modifizierte Epoxidpolymer auch kostengünstig und einfach herzustellen.