Wie man Nicht-Recycelbares recycelt: Neuer Kunststoff schützt vor Flammen – und vor Verschwendung

Empa-Forschende haben ein Epoxidharz entwickelt, das sich reparieren und
recyceln lässt – und zudem schwer entflammbar und mechanisch
widerstandsfähig ist. Mögliche Anwendungen reichen von Beschichtungen für
Parkettböden bis hin zu Verbundwerkstoffen für Züge und Flugzeuge.

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.
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.

Eine neue Art von Kunststoff

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.»
Ihre Vision für die Zukunft, ergänzt Gruppenleiter Sabyasachi Gaan, sei
«ein Verbundwerkstoff, bei dem die Fasern und die Kunststoffmatrix
komplett voneinander getrennt und wiederverwendet werden können.» Einen
besonderen Vorteil sieht der Forscher beispielsweise bei
kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, wie sie im Bau von Flugzeugen,
Zügen, Booten, Autos, Velos und mehr eingesetzt werden. «Die Herstellung
von Kohlenstofffasern benötigt sehr viel Energie und setzt enorm viel CO2
frei», erklärt er. «Wenn wir sie recyceln könnten, wäre ihr ökologischer
Fussabdruck um einiges besser – und der Preis um einiges tiefer.» Zudem
könnten so auch wertvolle Zusatzstoffe wie Phosphor aus der Polymermatrix
zurückgewonnen werden.

Massgeschneidertes Material

Faserverstärkte Kunststoffe sind nicht die einzige Anwendung für den neuen
Kunststoff. Beispielsweise könnte er zur Beschichtung von Holzböden
eingesetzt werden, als eine transparente, widerstandsfähige Schicht, die
gute flammhemmende Eigenschaften aufweist – und bei der sich Kratzer und
Beschädigungen mit etwas Druck und Hitze wieder «heilen» lassen.
«Wir haben nicht ein einziges Material für einen spezifischen Zweck
entwickelt, sondern vielmehr eine Toolbox», erklärt Gaan. «Der
Flammschutz, die Rezyklierbarkeit und die Reparierbarkeit sind gegeben.
Alle weiteren Eigenschaften können wir je nach Verwendungszweck
optimieren.» So seien Fliesseigenschaften besonders wichtig für die
Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen, während Holzbeschichtungen
im Aussenbereich zusätzlich witterungsfest sein müssen.
Um diese und weitere Anwendungen des Materials weiterzuverfolgen, suchen
die Forschenden nun nach Industriepartnern. Die Chancen für einen
kommerziellen Erfolg stehen gut: Denn nebst all seinen anderen
vorteilhaften Eigenschaften ist das modifizierte Kunstharz auch noch
günstig und einfach in der Herstellung.

European Meeting on Fire Retardant Polymeric Materials 2023

Das Empa-Labor «Advanced Fibers», in dem auch Sabyasachi Gaan und Wenyu Wu
Klingler forschen, entwickelt bereits seit 15 Jahren Flammschutzmittel für
Textilien, Kunststoffe und Holz. Ende Juli lud das Labor in der Empa-
Akademie zum «European Meeting on Fire Retardant Polymeric Materials»
(FRPM) 2023. Rund 250 Expertinnen und Experten aus der Wissenschaft und
der Industrie trafen zusammen für interdisziplinäre Vorträge und
Diskussionen. Auch das vorliegende Projekt wurde an der Konferenz
vorgestellt.