Recycelbares Epoxidharz: Phosphor eröffnet neue Wege für nachhaltige Faserverbundwerkstoffe

Empa-Forscher Arvindh Sekar mit dem neuartigen Epoxidharz, das sowohl schwer entflammbar als auch recycelbar ist.

Foto: Empa

Epoxidharz gehört zu den vielseitigsten Kunststoffen moderner Industriegesellschaften. Klar, robust und dauerhaft belastbar, findet es breite Anwendung – als Beschichtung, als Klebstoff und vor allem als Matrixmaterial in faserverstärkten Werkstoffen. Ob in Flugzeugbauteilen, Fahrzeugstrukturen, Sportgeräten oder Rotorblättern von Windturbinen: Überall dort, wo geringes Gewicht und hohe Festigkeit gefragt sind, spielt Epoxidharz eine zentrale Rolle.

Gleichzeitig ist der Werkstoff ein Paradebeispiel für die Schattenseiten heutiger Kunststoffnutzung. Denn bislang galt Epoxidharz als praktisch nicht recycelbar. Als sogenanntes Duromer bildet es beim Aushärten ein engmaschig vernetztes Polymernetzwerk, das sich nicht mehr aufschmelzen lässt. Damit bleiben am Ende der Nutzungsphase nur zwei Wege. „Wir haben heute nur zwei Möglichkeiten, Epoxidharz zu entsorgen: Verbrennung oder Mülldeponie“, bestätigt Empa-Forscher Arvindh Sekar vom „Advanced Fibers“-Labor in St. Gallen.

Vor dem Hintergrund wachsender Kunststoffabfälle, fossiler Rohstoffabhängigkeit und klimarelevanter Emissionen ist das ein gravierendes Problem. Gelangen Kunststoffe in die Umwelt, bleiben sie dort über Generationen erhalten. Werden sie verbrannt, setzen sie CO₂ frei. Recycling gilt daher als der bessere Weg – doch gerade für Epoxidharze war dieser bisher versperrt.

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Ein neuer Ansatz aus der Materialchemie

Ein Forschungsteam der Empa hat nun einen entscheidenden Schritt getan. Es entwickelte ein Epoxidharz, das sich nicht nur wiederverwerten, sondern auch chemisch recyceln lässt. Zugleich ist das Material schwer entflammbar und vergleichsweise einfach herzustellen – Eigenschaften, die eine industrielle Nutzung grundsätzlich möglich erscheinen lassen.

Der Schlüssel liegt in einem gezielten Zusatz von Phosphor. „Phosphor-basierte Additive sind beliebte Flammschutzmittel“, erklärt Arvindh Sekar. „Normalerweise werden sie einfach als Pulver unter das Epoxidharz gemischt.“ Die Empa-Forschenden gehen jedoch einen anderen Weg. Sie fügen dem Harz vor dem Aushärten ein phosphorhaltiges Polymer zu, das chemisch mit dem Epoxid reagiert.

Auf diese Weise bleibt die flammhemmende Wirkung des Phosphors erhalten, ebenso die mechanischen Stärken des Epoxids. Gleichzeitig verändert der Phosphorzusatz die innere Struktur des ausgehärteten Materials so, dass sich die Vernetzungen der Polymerketten unter Wärmeeinwirkung neu anordnen können.

Das transparente Harz kann allein und als Verbundwerkstoff mit Kohlefasern zum Einsatz kommen.

Foto: Empa

Thermomechanisches Recycling statt Einbahnstraße

Diese Eigenschaft eröffnet erstmals die Möglichkeit eines thermomechanischen Recyclings. Nach der Nutzung kann das Epoxidharz zu Pulver vermahlen und durch Erwärmen in eine neue Form gepresst werden. Während dieses Prozesses arrangieren sich die chemischen Bindungen neu.

„Wir haben zehn solcher Recycling-Runden durchgeführt, und das Epoxid hat dabei nicht nennenswert an mechanischer Widerstandsfähigkeit verloren“, berichtet Arvindh Sekar. Damit zeigt sich, dass das Material mehrere Lebenszyklen durchlaufen kann, ohne seine grundlegenden Eigenschaften einzubüßen – ein bemerkenswerter Fortschritt für einen Werkstoff, der bislang als endgültig „vernetzt“ galt.

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Chemisches Recycling für Verbundwerkstoffe

Besonders herausfordernd ist das Recycling, wenn Epoxidharz Teil eines Faserverbundwerkstoffs ist. In solchen Materialien sind Kohle- oder Glasfasern fest in die Harzmatrix eingebettet, was ein einfaches Zerkleinern und Wiederverformen unmöglich macht.

Auch hier bietet das neue Material einen Ansatz. Neben dem thermomechanischen Recycling lässt sich das Harz chemisch auflösen. Dabei können die Fasern nahezu unbeschädigt zurückgewonnen werden – ein Schritt, der bislang kaum realisierbar war. „Neben den Fasern können wir zudem über 90 % des Epoxids und des Phosphors zurückgewinnen“, ergänzt Sekar.

Allerdings weist der Forscher auch auf die Grenzen dieses Verfahrens hin. Das chemische Recycling erfordert viel Energie und größere Mengen an Lösungsmitteln. „Chemisches Recycling sollte immer der letzte Schritt sein. Thermomechanisches Recycling ist, wo immer möglich, zu bevorzugen“, sagt er. Für faserverstärkte Epoxidharze gebe es jedoch derzeit keine Alternative.

Vom Labor in Richtung Anwendung

Die Arbeiten an dem neuen Epoxidharz laufen bereits seit mehreren Jahren. Inzwischen ist es den Forschenden gelungen, den Herstellungsprozess so weit zu optimieren, dass er prinzipiell industriell skaliert werden kann. „Wir suchen nach Industriepartnern, die Interesse hätten, das schwer entflammbare und recycelbare Epoxid zu kommerzialisieren“, sagt Arvindh Sekar.

Als erste Einsatzfelder sehen die Forschenden unter anderem Beschichtungen im Innen- und Außenbereich. Hier kommt ein weiterer Vorteil des Phosphorzusatzes zum Tragen: Das Material zeigt eine verbesserte Farbstabilität und vergilbt weniger schnell als herkömmliches Epoxidharz.

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Perspektiven für Energieanlagen und Infrastruktur

Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet liegt im Bereich der Windenergie. Epoxidharze werden dort unter anderem als Klebstoffe und Strukturmaterialien eingesetzt. „Windturbinen sind anfällig für Brandfälle, sei es durch Kurzschlüsse oder Blitzeinschläge“, erklärt 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.“

Damit adressiert der neue Werkstoff gleich mehrere Herausforderungen zugleich: Brandschutz, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit – Aspekte, die in der Lebenszyklusanalyse technischer Großanlagen zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Nächste Schritte in der Polymerforschung

Parallel zu den aktuellen Entwicklungsarbeiten planen die Empa-Forschenden, das phosphorhaltige Polymer auch anderen Kunststoffen zuzusetzen. Ziel ist es, weitere Materialklassen brandresistent und recyclingfähig zu machen.

Das neue Epoxidharz markiert damit einen wichtigen Fortschritt in der Materialforschung. Es zeigt, dass selbst hochvernetzte Kunststoffe durch gezielte chemische Modifikation in Richtung Kreislaufwirtschaft geöffnet werden können – ein Ansatz, der für die Zukunft faserverstärkter Werkstoffe von zentraler Bedeutung sein dürfte.