Faserverbundwerkstoffe für Flugzeugkabinen müssen leicht und belastbar sein, sind bislang aber nur schwer zu recyceln. Jetzt haben Forscherinnen und Forscher ein flammhemmendes Sandwichmaterial entwickelt, dessen Bestandteile sich nach der Nutzung wieder voneinander trennen lassen. Möglich macht das ein modifiziertes Epoxidharz. Der Werkstoff soll unter anderem in Kabinenböden von Flugzeugen zum Einsatz kommen.
Entwickelt wurde das Harzsystem an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), einem Schweizer Forschungsinstitut für Materialwissenschaften und Technologie. Gemeinsam mit der Elantas Europe AG untersuchte die Empa dessen Eignung für industrielle Anwendungen. Elantas gehört zum deutschen Spezialchemiekonzern ALTANA und stellt unter anderem Spezialharze sowie Isolier- und Schutzmaterialien her. Gefördert wurde das Projekt von der Schweizer Innovationsförderagentur Innosuisse.
Das zugrunde liegende recycelbare Epoxidharz hatte die Empa bereits 2023 vorgestellt. In dem von der Schweizer Innovationsförderagentur Innosuisse geförderten Projekt untersuchten die Partner nun erstmals dessen Potenzial für eine industrielle Anwendung in einem mehrschichtigen Sandwichverbund.
Phosphorhaltiger Zusatz verändert Eigenschaften des Epoxidharzes
Der untersuchte Verbundwerkstoff besteht aus einem leichten Wabenkern aus Aramid, einem hitzebeständigen Kunststoff. Dieser wird auf beiden Seiten mit mehreren Lagen flach gewobener Glas- oder Kohlefasern laminiert. Als Bindemittel dient Epoxidharz, das die einzelnen Schichten miteinander verbindet. Normalerweise lässt sich dieses Polymer weder chemisch noch thermisch recyceln. Oder mit anderen Worten: Es kann weder eingeschmolzen noch aufgelöst werden. „Verbundwerkstoffe mit Epoxid landen heute in Deponien oder werden verbrannt“, sagt Dr. Sabyasachi Gaan vom Empa-Labor Advanced Fibers .
Das Forschungsteam um Dr. Gaan entwickelte deshalb einen phosphorhaltigen Zusatz, der die Eigenschaften des Epoxidharzes verändert. Das Molekül wird dem Harz während der Herstellung zugesetzt und sorgt für eine flammhemmende Wirkung. Gleichzeitig ermöglicht es, das ausgehärtete Material unter geeigneten Bedingungen wieder zu erweichen und umzuformen. Diese sogenannte thermomechanische Wiederverarbeitung ist bei herkömmlichen Epoxidharzen nicht möglich.
Aramid-Waben und Kohlefasern lassen sich zurückgewinnen
Für das Recycling des gesamten Sandwichverbunds nutzen die Forschenden ein chemisches Verfahren. Mithilfe eines geeigneten Lösungsmittels und Wärme lässt sich das „Sandwich“ wieder in seine einzelnen Komponenten zerlegen. Der Wabenkern und die darin eingebetteten Glas- beziehungsweise Kohlefasern können anschließend voneinander getrennt und zurückgewonnen werden. Gerade bei den vergleichsweise teuren Aramid-Waben und Kohlefasern ist das auch wirtschaftlich interessant.
Recycling von Flugzeugkabinen
Allerdings ist das Verfahren noch nicht in allen Schritten abgeschlossen. Die Rückgewinnung des gelösten Epoxidharzes wurde in diesem Projekt bislang nicht umgesetzt. Gaan möchte diesen Schritt in weiteren Forschungsarbeiten untersuchen. Ein vollständig geschlossener Materialkreislauf für das untersuchte Sandwichsystem ist damit noch nicht erreicht.
Nach Angaben des Forschers erfüllt der Verbundwerkstoff die Brandschutzbestimmungen und erreicht annähernd die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Epoxidharzsysteme. „Es lässt aber erstmals ein vollständiges Recycling des Verbundwerkstoffs her“, erklärt Gaan.
Herstellung und Recycling sollen skaliert werden
Die Entwicklung befindet sich noch im Forschungs- und Demonstratorstadium. Als nächsten Schritt wollen die Projektpartner sowohl die Herstellung des Verbundwerkstoffs als auch den chemischen Recyclingprozess für größere Mengen auslegen.
Fiorenzo Lenzi, Leiter der Produktlinie Aerospace/Ballistic bei Elantas, verweist auf die besonderen Anforderungen der Luftfahrtindustrie: „Für die Luftfahrtindustrie ist es entscheidend, Brandschutz, Leichtbau und Rezyklierbarkeit zu vereinen. Dieses Epoxid-Verbundsystem zeigt, dass das nun erstmals möglich ist“, so Lenzi.
Während Elantas die industrielle Anwendung des Materials weiterverfolgt, untersucht das Empa-Team zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Künftige Forschungsprojekte sollen sich unter anderem mit Anwendungen im Energiesektor und im Baubereich beschäftigen.
Bilder: Empa