Empa-Forschende haben einen Kunststoff auf Epoxidharzbasis entwickelt, der vollständig recycelbar, reparierbar und schwer entflammbar ist. Das besondere Epoxidharz ist eigentlich ein Duromer – lässt sicher aber, im Gegensatz zu anderen Duromeren, wie ein Thermoplast schmelzen.
Epoxidharze sind widerstandsfähige und vielseitige Kunststoffe. In Kombination mit Glas- oder Kohlenstofffasern werden sie beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Flugzeuge, Autos, Züge, Schiffe und Windkraftanlagen verwendet. 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.
Eine neue Art von Kunststoff auf Epoxidharzbasis
Nun haben Empa-Forschende 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 verunmöglichen das Schmelzen. Ist der Kunststoff einmal ausgehärtet, lässt er sich nicht mehr verformen.
Anders verhält es sich bei Thermoplasten, wie beispielsweise PET oder Polyolefine. Ihre Polymerketten liegen eng aneinander, sind aber nicht miteinander verbunden. Unter Hitzeeinwirkung lassen sich diese Kunststoffe schmelzen und in neue Formen bringen. Nur: Wegen der fehlenden Vernetzung sind ihre mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen in der Regel nicht so vorteilhaft wie diejenigen von Duromeren.
Faserverstärkte Kunststoffe wieder in den Stoffkreislauf bringen
Das besondere Epoxidharz, das die Empa-Forschenden in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern entwickelt haben, 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.“
Originalpublikation:
W Wu Klingler, V Rougier, Z Huang, D Parida, S Lehner, A Casutt, D Rentsch, K Brändli Hedlund, G A Barandun, V Michaud, S Gaan; Recyclable flame retardant phosphonated epoxy based thermosets enabled via a reactive approach; Chemical Engineering Journal (2023); doi: 10.1016/j.cej.2023.143051