Zusammenfassung:
In modernen Flugzeugkabinen werden seit Langem in großem Umfang Verbundwerkstoffe eingesetzt, um strenge Anforderungen wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Feuerbeständigkeit zu erfüllen. Allerdings lassen sich diese Materialien am Ende ihrer Lebensdauer oft nur schwer recyceln und landen auf Mülldeponien oder in der Verbrennung. Jetzt haben Schweizer Forscher ein neues Epoxidharz-Verbundmaterial entwickelt, das diese Situation ändern und nachhaltigere Lösungen für die Luftfahrtindustrie und sogar die Schienenverkehrsindustrie bringen soll.
Die Forschung wurde von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Zusammenarbeit mit dem Spezialchemieunternehmen Elantas durchgeführt. Dem Forschungsteam gelang es, ein neues Verbundmaterialsystem zu entwickeln, das sowohl flammhemmend als auch recycelbar ist. Sein zentraler Durchbruch liegt in der Verbesserung des herkömmlichen Epoxidharzes.
Epoxidharz wird häufig in modernen technischen Verbundwerkstoffen verwendet, da es verschiedene Materialien fest miteinander verbinden kann, um eine Gesamtstruktur zu bilden, die sowohl leicht als auch hochfest ist. Allerdings bringt dieser Vorteil auch ein Problem mit sich, das die Branche seit langem beschäftigt. Herkömmliches Epoxidharz ist ein duroplastischer Kunststoff, der während des Aushärtungsprozesses eine stabile und dauerhafte molekular vernetzte Struktur bildet und dem Material dadurch hervorragende mechanische Eigenschaften, Hitzebeständigkeit und Dimensionsstabilität verleiht. Gleichzeitig erschwert diese Struktur jedoch auch die Wiederzerlegung des Materials, sodass ein effektives Recycling von Verbundmaterialien nahezu unmöglich ist.
Ein von Forschern entwickelter phosphorhaltiger Zusatzstoff ändert das. Wenn das Additiv während des Herstellungsprozesses mit Epoxidharz vermischt wird, verleiht es dem Material nicht nur flammhemmende Eigenschaften, sondern ermöglicht auch, dass das ausgehärtete Material unter bestimmten Bedingungen weich wird und sich sogar trennt, was ein Recycling ermöglicht.
Das Forschungsteam konzentrierte sich dieses Mal auf ein „Sandwich-Waben“-Strukturverbundmaterial, das häufig in Flugzeugen und Zügen verwendet wird. Diese Art von Material besteht in der Regel aus einem leichten Aramid-Wabenkern, der außen mit einer Glasfaser- oder Kohlefaser-Gewebeschicht überzogen wird und anschließend mit Epoxidharz fest miteinander verbunden wird. Aufgrund seiner hohen Festigkeit, seines geringen Gewichts und seiner hervorragenden Feuerbeständigkeit wird es häufig in Flugzeugkabinenböden, Zuginnenräumen und den Innenstrukturen anderer Transportausrüstungen eingesetzt.
Sabyasachi Gan, Forscher am Empa Advanced Fiber Laboratory, sagte, dass es im Bereich der Technik eine große Herausforderung sei, sich bei ein und demselben Material auf Leichtgewichtigkeit, mechanische Festigkeit, Feuerbeständigkeit und Nachhaltigkeit zu konzentrieren. Wenn ein Material eine Eigenschaft gewinnt, opfert es in vielen Fällen oft andere.
Im Rahmen eines von der Schweizerischen Agentur für Innovation unterstützten Projekts überprüften das Forschungsteam und Elantas den Recyclingprozess der gesamten Verbundstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verbundmaterial nur mit geeigneten Lösungsmitteln und mäßiger Hitze in seine ursprünglichen Bestandteile zerlegt werden kann und die Aramid-Wabenstruktur sowie die Glasfaser- oder Kohlefaserschichten erfolgreich wiederhergestellt werden können.
Dieser Erfolg hat eine wichtige praktische Bedeutung. Ob Aramid-Wabenmaterialien oder Kohlefasern, der Herstellungsprozess erfordert hohe Kosten und einen großen Energieaufwand. Wenn diese hochwertigen Materialien nach der Ausmusterung des Produkts wiederverwendet werden können, wird dies nicht nur die Abfallerzeugung reduzieren, sondern auch dazu beitragen, die gesamten Lebenszykluskosten zu senken.
Die Forscher sagten, dass theoretisch erwartet wird, dass das abgetrennte Epoxidharz selbst in Zukunft weiter recycelt wird, die entsprechende Technologie jedoch noch eingehender Forschung und Verifizierung bedarf.
Leistungstests zeigen, dass das neue Verbundmaterial die relevanten Brandschutznormen erfüllt und seine mechanischen Eigenschaften denen herkömmlicher Epoxidharz-Verbundmaterialien nahe kommen. Dies bedeutet, dass neue Lösungen das Potenzial haben, die Ziele eines recycelbaren Designs zu erreichen, ohne dass die Sicherheit oder die strukturelle Festigkeit darunter leiden.
Derzeit arbeitet das Forschungsteam mit Elantas zusammen, um die industrielle Verifizierungsarbeit voranzutreiben, in der Hoffnung, den Produktions- und Recyclingprozess auf den kommerziellen Anwendungsmaßstab auszuweiten. Neben der Luftfahrt- und Bahnindustrie bewerten Forscher auch das Potenzial für den Einsatz in der Energieinfrastruktur und im Bauwesen.
Da die Luftfahrtindustrie, die Schienenverkehrsindustrie und verschiedene High-End-Fertigungsbereiche immer strengeren Umweltanforderungen ausgesetzt sind, geht man davon aus, dass diese Technologie den Übergang von Verbundwerkstoffen vom traditionellen Modell „einmal Herstellung und endgültiger Ausschuss“ zu einer neuen Stufe des Recyclings fördern wird. Für künftige Flugzeugkabinen sind „leicht, schwer entflammbar, sicher und recycelbar“ zwar keine Zielkonflikte mehr, aber gleichzeitig erreichbar.
Kommentare