Faserverbundwerkstoff – eine clevere Kombination

Kunststoffe in Verbundwerkstoffen sind nicht mehr wegzudenken. Die Idee besteht in der Addition der positiven Eigenschaften von zwei oder mehr Materialien in einem Werkstoff, der in der Verbindung bessere Eigenschaften hat als seine einzelnen Komponenten. Es gibt verschiedene Arten, wie zum Beispiel Faserverbundwerkstoffe, Partikelverbundwerkstoffe oder Schichtverbundwerkstoffe. Wenn die Eigenschaften der genannten Verbundwerkstoffe nicht ausreichen, können sie mit weiteren Materialien kombiniert werden. Allerdings erfährt der Leichtbau, als ein Schlüsselelement für nachhaltigen Transport, im Schiffbau massive Widerstände aufgrund ungenügender Fügetechnologien für Faserverbundmaterialien und Stahl. Kleben, als das Standardverfahren zum Fügen von Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Metallstrukturen, genügt dabei häufig nicht den zeitlichen und kostentechnischen Ansprüchen der schiffbaulichen Produktion in Hinblick auf Entwurf, Zertifizierung und Produktion. Im kürzlich abgeschlossenen Projekt Hyfive (03SX511E, BMWK, 05.2020-12.2023) wurden daher neue und effiziente klebefreie Verbindungstechnologien für FVK und Metalle entwickelt.

Duroplastische Faserverbundkunststoffe wie glasfaserverstärkte (GFK) und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zeichnen sich durch ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Beständigkeit aus. Sie sind nicht wegzudenken im Chemieanlagenbau, im Rohrleitungsbau, im Fahrzeug- und Bootsbau, im Rotorblattbau für Windkraftanlagen und im Flugzeugbau. Ein heiß diskutiertes Thema ist immer wieder die Recyclingfähigkeit. Es existieren bereits thermische (Pyrolyse) und chemische (Solvolyse) Recyclingansätze. Bei CFK ist das Kosten-Nutzen-Verhältnis vorhanden, bei GFK hat es sich bisher nicht als rentabel erwiesen. Ein Großteil der GFK-Abfälle wird bei der Zementherstellung thermisch verwertet. Weitere Ansätze bestehen darin, die zerkleinerten GFK-Abfälle als Füllstoffe in Kunststoffen oder Beton zu verwenden. Hier sind in Zukunft kostengünstige Recyclinglösungen gefragt. Eine Möglichkeit, Verbundwerkstoffe nachhaltiger zu gestalten, ist der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen. Kommerziell sind Epoxidharze mit einem Bioanteil von bis zu   58 % erhältlich, im Harz-Härter-Gemisch entspricht das circa 40 %. Der Einsatz von Naturfasern erhöht den Bioanteil, allerdings sind die mechanischen Eigenschaften für viele Anwendungen nicht ausreichend. Im Projekt Lignodur (ZS/2018/12/96084, IB-Bank Sachsen-Anhalt, EFRE, 09.2019-07.2022) konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Lignin nicht nur der Bioanteil, sondern auch die mechanischen Kennwerte erhöht werden können. Die Möglichkeiten sind vielfältig. Der Einsatz von Leinölepoxid ermöglicht einen Bioanteil von über 90 % in der Harz-Härter-Mischung.

Allerdings muss bei der Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen immer die Konkurrenz hinsichtlich Nahrungsmittel betrachtet werden. Dies betrifft die Nutzung der Ackerflächen, aber auch die Nutzung der Pflanze für die menschliche Versorgung oder als Futtermittel für Tiere. Eine Lösung besteht im Verwenden von Abfallprodukten wie Orangenschalen, die bei der Saft- und Marmeladenproduktion entstehen. Im Projekt Orangeoil (299 EBG, Cornet, 10.21-03.2024) wird die Nutzung von Orangenschalenöl für ein Zwei-Komponenten-Epoxid in Faserverbundkunststoffen untersucht.

Quelle: SKZ