Das neue Epoxidharz kommt für verschiedene Anwendungen in Frage, etwa für faserverstärkte Kunststoffe, die im Fahr- und Flugzeugbau eingesetzt werden. (Bild: Eisenhans – Stock.adobe.com)
Epoxidharze sind widerstandsfähige und vielseitige Kunststoffe, die kombiniert mit Glas- oder Kohlenstofffasern beispielsweise zum Herstellen von Bauteilen für Flugzeuge, Autos, Züge, Schiffe und Windkraftanlagen verwendet werden. Solche faserverstärkten Kunststoffe auf Epoxidbasis haben auszeichnete mechanische und thermische Eigenschaften und sind viel leichter als Metall. Ihre Schwäche: Sie sind nicht recycelbar – zumindest noch nicht.
Nun haben Empa-Forscherinnen und -Forscher um Sabyasachi Gaan vom Empa-Labor "Advanced Fibers" einen Kunststoff auf Epoxidharzbasis entwickelt, der vollständig recycelbar, reparierbar und zudem schwer entflammbar ist – und dabei die günstigen thermomechanischen Eigenschaften von Epoxidharzen beibehält. Ihre Ergebnisse haben sie in der Zeitschrift Chemical Engineering Journal veröffentlicht.
Das Recyceln von Epoxidharzen ist alles andere als trivial, denn diese Kunststoffe zählen zu den sogenannten Duromeren. Bei dieser Art von Kunststoffen sind die Polymerketten engmaschig miteinander vernetzt. Diese chemischen Verbindungen verhindern, im Vergleich zu Thermoplasten, das Schmelzen und Verformen, wenn das Harz einmal ausgehärtet.
Funktionales Molekül ist der Schlüssel
Das besondere Epoxidharz, das zusammen mit nationalen und internationalen Partnern entwickelt wurde, ist eigentlich ein Duromer – lässt sicher aber, im Gegensatz zu anderen Duromeren, wie ein Thermoplast schmelzen. Der Schlüssel dazu ist der Zusatz eines besonderen funktionalen Moleküls aus der Klasse der Phosphonsäureester in die Harzmatrix. "Wir haben dieses Molekül ursprünglich als Flammschutzmittel synthetisiert", sagt Empa-Wissenschaftlerin Wenyu Wu Klingler, die diese Technologie miterfunden hat. Die Bindung, die das Molekül mit den Polymerketten des Epoxidharzes eingeht, ist aber reversibel, lässt sich also unter bestimmten Bedingungen wieder lösen. Dies lockert die Vernetzung der Polymerketten, sodass sie sich schmelzen und verformen lassen.
Solche Werkstoffe, auch Vitrimere genannt, sind erst seit rund zehn Jahren bekannt und gelten als besonders vielversprechend. "Heute sind faserverstärkte Kunststoffe praktisch nicht recycelbar, außer unter extremen Bedingungen, die die Fasern beschädigen", erklärt Wu Klingler. "Haben sie einmal ausgedient, werden sie verbrannt oder in Deponien entsorgt. Mit unserem Kunststoff wäre es erstmals möglich, sie erneut in den Stoffkreislauf zu bringen."