Der widerstandsfähige Kunststoff Epoxidharz findet breite Verwendung, einerseits in seiner reinen Form, etwa in Form von Beschichtungen oder Klebstoffen, andererseits auch als Teil von faserverstärkten Werkstoffen, wo Epoxidharz in Kombination mit Kohle- oder Glasfasern für alles von Flugzeug- und Autoteilen bis hin zu Sportgeräten und Windturbinen eingesetzt wird. Nun ist es Forschenden der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) gelungen, ein recycelbares Epoxidharz zu entwickeln. Ihr Polymer lässt sich nicht nur mit unterschiedlichen Methoden recyceln, es ist auch schwer entflammbar und einfach herstellbar, was ihm den Weg zur industriellen Anwendung ebnet.
Phosphor macht’s möglich
Das Element, das all diese Eigenschaften ermöglicht, ist Phosphor. „Phosphor-basierte Additive sind beliebte Flammschutzmittel“, sagt Erstautor Arvindh Sekar vom Empa. „Normalerweise werden sie einfach als Pulver unter das Epoxidharz gemischt.“ Er und sein Team gingen nun einen Schritt weiter und fügten dem Harz vor dem Aushärten ein phosphorhaltiges Polymer zu. Dieses reagiert mit dem Epoxid. Die flammhemmende Wirkung des Phosphors bleibt dabei erhalten, ebenso wie die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Epoxids.
Das Phosphor-Polymer führt aber dazu, dass sich die Vernetzungen zwischen den Polymerketten im ausgehärteten Epoxid unter Hitzeeinwirkung neu arrangieren können. Nach der Verwendung kann der Kunststoff einfach zu Pulver vermahlen und mit Hitze in eine neue Form gepresst werden, wodurch sich die Verbindungen neu arrangieren: sogenanntes thermomechanisches Recycling. „Wir haben zehn solcher Recycling-Runden durchgeführt, und das Epoxid hat dabei nicht nennenswert an mechanischer Widerstandsfähigkeit verloren“, so Sekar.
Recycling trotz Fasern
Doch was tun, wenn das Epoxid als Teil eines Verbundwerkstoffs mit Fasern vorliegt und nicht einfach zermahlen werden kann? Der neue Werkstoff punktet auch hier, denn neben dem thermomechanischen Recycling lässt er sich auch chemisch auflösen. Dadurch können die im Harz eingebetteten Fasern ohne nennenswerte Beschädigung zurückgewonnen werden – ein Schritt, der bisher kaum möglich war. „Neben den Fasern können wir zudem über 90 Prozent des Epoxids und des Phosphors zurückgewinnen“, berichtet Sekar.
Im Gegensatz zum thermomechanischen Recycling braucht das chemische Recycling jedoch viel Energie und größere Mengen an Lösungsmitteln – wie auch das chemische Recycling von anderen Polymeren. „Chemische Recycling sollte immer der letzte Schritt sein. Thermomechanisches Recycling ist, wo immer möglich, zu bevorzugen“, sagt Sekar. Für faserverstärkte Epoxidharze gibt es zu dieser chemischen Lösung allerdings keine Alternative.
Reichlich Anwendungsmöglichkeiten
Die Forschenden arbeiten bereits seit einigen Jahren an ihrem reycelbaren Epoxidharz. Mittlerweile konnten sie den Herstellungsprozess so weit verbessern, dass er auf industriellen Maßstab skaliert werden kann. „Wir suchen nach Industriepartnern, die Interesse hätten, das schwer entflammbare und recycelbare Epoxid zu kommerzialisieren“, sagt Sekar. Als erste Anwendungsbereiche kämen beispielsweise Beschichtungen im Innen- und Außenraum in Frage. Hier hat der Werkstoff den zusätzlichen Vorteil, dass er dank dem Phosphorzusatz eine verbesserte Farbstabilität besitzt und weniger schnell vergilbt als herkömmliches Epoxidharz.
Ein weiteres Anwendungsfeld wäre beispielsweise als Klebstoff bei der Konstruktion von Windturbinen. „Windturbinen sind anfällig für Brandfälle, sei es durch Kurzschlüsse oder Blitzeinschläge“, so Sekar. „Nebst der Verbesserung der Brandsicherheit würde unser Material die Wartung und den Austausch von Komponenten erleichtern, da es unter den richtigen Bedingungen auch nach dem Aushärten wieder verformt werden kann.“ In der Zwischenzeit wollen die Forschenden das Phosphorpolymer noch weiteren Kunststoffen zusetzen, um auch sie brandresistent und recycelbar zu machen.
Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt; Fachartikel: Chemical Engineering Journal, doi: 10.1016/j.cej.2025.165779
