Forschende der Empa in St. Gallen haben einen Durchbruch erzielt: Sie entwickelten ein Epoxidharz, das nicht nur recycelbar ist, sondern auch schwer entflammbar. Diese Innovation könnte die Entsorgung von Kunststoffen revolutionieren und neue Wege für die Industrie eröffnen, insbesondere in Bereichen wie der Luftfahrt und dem Automobilbau.
Wichtige Erkenntnisse
- Empa-Forschende entwickeln recycelbares und schwer entflammbares Epoxidharz.
- Phosphor ermöglicht thermomechanisches und chemisches Recycling.
- Das neue Material ist für die industrielle Anwendung bereit.
- Verbesserte Brandsicherheit und Wartungsfreundlichkeit sind wichtige Vorteile.
Das Problem mit herkömmlichem Epoxidharz
Epoxidharz ist ein vielseitiger Kunststoff. Er ist klar, robust und findet breite Anwendung. Man findet ihn in Flugzeugteilen, Autos, Sportgeräten und Windturbinen. Oft wird er in faserverstärkten Werkstoffen verwendet. Trotz seiner Nützlichkeit gibt es ein grosses Problem: Epoxidharz lässt sich bisher nicht recyceln.
Es gehört zu den sogenannten Duromeren. Bei diesen Polymeren sind die molekularen Ketten so stark vernetzt, dass sie sich nach der ersten Herstellung nicht mehr einschmelzen lassen. Die Entsorgung beschränkt sich daher auf Verbrennung oder Deponie. Beides belastet die Umwelt erheblich. Verbrennung setzt klimaschädliches CO₂ frei, Deponien verursachen langanhaltende Verschmutzung.
Faktencheck Epoxidharz
- Verwendung: Beschichtungen, Klebstoffe, Faserverbundwerkstoffe (Flugzeuge, Autos, Windturbinen).
- Problem: Gehört zu den Duromeren, nicht einschmelzbar.
- Entsorgung: Bisher nur Verbrennung oder Deponie möglich.
Ein innovativer Ansatz aus St. Gallen
Empa-Forscher Arvindh Sekar und sein Team vom «Advanced Fibers»-Labor in St. Gallen haben nun eine Lösung gefunden. Sie entwickelten ein Epoxidharz, das sich auf verschiedene Weisen recyceln lässt. Gleichzeitig ist es schwer entflammbar und einfach herzustellen. Dies ebnet den Weg für eine breite industrielle Nutzung.
Das Geheimnis liegt in der Zugabe von Phosphor. Normalerweise werden phosphorbasierte Additive als Pulver unter das Epoxidharz gemischt, um die Flammschutzwirkung zu erzielen. Die Empa-Forschenden gingen einen Schritt weiter: Sie fügten dem Harz vor dem Aushärten ein phosphorhaltiges Polymer zu. Dieses Polymer reagiert direkt mit dem Epoxid.
«Phosphor-basierte Additive sind beliebte Flammschutzmittel», erklärt Arvindh Sekar. «Normalerweise werden sie einfach als Pulver unter das Epoxidharz gemischt. Wir gehen einen Schritt weiter.»
Zwei Wege zum Recycling
Die Phosphorzugabe verändert die Vernetzungen im ausgehärteten Epoxid. Unter Hitzeeinwirkung können sich diese Verbindungen neu anordnen. Dies ermöglicht zwei Hauptarten des Recyclings:
1. Thermomechanisches Recycling
Nach der Verwendung kann der Kunststoff einfach zu Pulver gemahlen werden. Anschliessend wird er mit Hitze in eine neue Form gepresst. Dabei arrangieren sich die Verbindungen neu. Das Team führte zehn solcher Recycling-Runden durch. Das Epoxid verlor dabei nicht nennenswert an mechanischer Widerstandsfähigkeit. Dies zeigt die Robustheit des Verfahrens.
2. Chemisches Recycling
Was aber, wenn das Epoxid in einem Verbundwerkstoff mit Fasern vorliegt und nicht einfach zermahlen werden kann? Auch hier bietet der neue Werkstoff eine Lösung. Er lässt sich chemisch auflösen. Dabei können die im Harz eingebetteten Fasern fast unbeschädigt zurückgewonnen werden. Das war bisher kaum möglich. Zusätzlich lassen sich über 90 Prozent des Epoxids und des Phosphors zurückgewinnen.
Hintergrund zum Recycling
Obwohl das chemische Recycling effektiv ist, benötigt es viel Energie und grosse Mengen an Lösungsmitteln. Arvindh Sekar betont: «Chemische Recycling sollte immer der letzte Schritt sein. Thermomechanisches Recycling ist, wo immer möglich, zu bevorzugen.» Für faserverstärkte Epoxidharze, die sich nicht mechanisch trennen lassen, bleibt das chemische Verfahren jedoch unverzichtbar.
Breite industrielle Anwendung in Sicht
Die Forschenden haben den Herstellungsprozess des Phosphor-Epoxidharzes über mehrere Jahre hinweg optimiert. Er ist nun bereit für die industrielle Skalierung. Das Team sucht aktiv nach Industriepartnern, die Interesse an der Kommerzialisierung dieses innovativen Materials haben.
Potenzielle Anwendungsbereiche sind vielfältig. Dazu gehören Beschichtungen im Innen- und Aussenbereich. Hier punktet der Werkstoff zusätzlich mit verbesserter Farbstabilität. Er vergilbt dank des Phosphorzusatzes weniger schnell als herkömmliches Epoxidharz. Ein weiteres vielversprechendes Feld ist die Konstruktion von Windturbinen.
- Anwendungsfelder:
- Beschichtungen (innen und aussen)
- Klebstoffe (z.B. für Windturbinen)
- Faserverstärkte Bauteile
«Windturbinen sind anfällig für Brandfälle, sei es durch Kurzschlüsse oder Blitzeinschläge», sagt Sekar. «Nebst der Verbesserung der Brandsicherheit würde unser Material die Wartung und den Austausch von Komponenten erleichtern, da es unter den richtigen Bedingungen auch nach dem Aushärten wieder verformt werden kann.» Die Empa-Forschenden arbeiten zudem daran, das Phosphorpolymer auch anderen Kunststoffen zuzusetzen. Ziel ist es, auch diese brandresistent und recycelbar zu machen.
