FVK Flammhemmender und recycelbarer Faserverbundwerkstoff

Flugzeuge und Passagierzüge müssen strenge Sicherheitsanforderungen erfüllen, unter anderem auch an den Brandschutz. Dafür sind Materialien gefragt, die flammhemmend, leicht, robust und skalierbar sind. Empa-Forschende haben gemeinsam mit dem Industriepartner Elantas ein vollständig recycelbaren Verbundwerkstoff entwickelt.

Das Material ist ein mehrschichtiges „Sandwich“. In der Mitte liegt eine Wabenstruktur aus Aramid, einem hitzeresistenten Kunststoff. Dieser stabile, leichte Kern wird von oben und unten mit mehreren flach gewobenen Schichten aus Glas- oder Kohlefasern versehen. Als Bindemittel dient Epoxidharz, wie bei vielen Verbundwerkstoffen. Normalerweise lässt sich dieses Polymer weder chemisch noch thermisch recyceln – sprich, es kann weder eingeschmolzen noch aufgelöst werden. „Verbundwerkstoffe mit Epoxid landen heute in Deponien oder werden verbrannt“, sagt Empa-Forscher Sabyasachi Gaan aus dem Labor „Advanced Fibers“.
Genau hier haben die Empa-Forschenden ein Ass im Ärmel. Sie haben einen Zusatz für Epoxidharz entwickelt, der das Material flammhemmend macht – und zugleich recycelbar. Wird Epoxid bei der Herstellung mit diesem phosphorhaltigen Molekül versetzt, lässt es sich nach dem Aushärten unter bestimmten Bedingungen wieder weich machen und neu formen – sogenanntes thermomechanisches Recycling, das für Epoxid bisher ein Ding der Unmöglichkeit war.

Unser Material erfüllt die Brandschutzbestimmungen und erreicht fast dieselben vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wie gewöhnliches Epoxid.

Sabyasachi Gaan

Gemeinsam mit dem zum deutschen Spezialchemie-Konzern Altana gehörenden Industriepartner Elantas hat das Empa-Team in dem Projekt noch ein anderes Ziel verfolgt: Das vollständige Recycling des Verbundwerkstoffs. Mit dem richtigen Lösungsmittel und etwas Wärme lässt sich das „Sandwich“ wieder in seine einzelnen Komponenten zerlegen: die Wabenstruktur und die gewobenen Fasern. Insbesondere die Aramid-Waben, aber auch Kohlefasern, sind verhältnismässig teuer. Ihr Recycling ist daher auch wirtschaftlich attraktiv. „Grundsätzlich ist es auch möglich, das Epoxidharz selbst aus der Lösung zurückzugewinnen. Das wollen wir in künftigen Projekten angehen“, so Gaan.
Entwickelt wurde das recycelbare Epoxidharz an der Empa. Mit Elantas haben die Forschenden nun erstmals sein Potenzial für eine industrielle Anwendung erkundet. „Unser Material erfüllt die Brandschutzbestimmungen und erreicht fast dieselben vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wie gewöhnliches Epoxid“, sagt Gaan. „Es lässt aber erstmals ein vollständiges Recycling des Verbundwerkstoffs her.“
Der nächste Schritt ist die weitere Skalierung der Herstellung und des Recyclings. „Für die Luftfahrtindustrie ist es entscheidend, Brandschutz, Leichtbau und Rezyklierbarkeit zu vereinen. Dieses Epoxid-Verbundsystem zeigt, dass das nun erstmals möglich ist“, sagt Fiorenzo Lenzi, Leiter Produktlinie Aerospace/Ballistic bei Elantas.
Gleichzeitig forscht Sabyasachi Gaan mit seinem Team bereits an weiteren Anwendungen für den recycelbaren flammhemmenden Kunststoff, etwa im Energiesektor und im Baubereich. Dass ein Material es so weit schafft, ist auch der Grundlagenforschung zu verdanken, betont der Wissenschaftler. „Bevor wir an den Anwendungen arbeiten können, müssen wir die Materialeigenschaften sehr gut verstehen.“