CircularEpoxy
Vorrangiges Ziel in CircularEpoxy ist die wirtschaftliche Herstellung von kreislauffähigen epoxy-basierten Thermosets und deren faserverstärkter Verbundmaterialien, die in unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt werden. Die in CircularEpoxy entwickelten Materialien sind Wegbereiter für Verbundbauteile mit verlängerter Lebensdauer (durch die Möglichkeit der Reparatur und Instandsetzung). Zudem ermöglicht die Rezyklierbarkeit und eine einfachere Demontage das Schließen von Materialkreisläufen.
Projektpartner
- Isovolta AG, Koordinator
- Polymer Competence Center Leoben GmbH
Motivation und Ziele
Die Industrie steht vor der Aufgabe den Herausforderungen des europäischen Green Deals der auf eine Klimaneutralität bis 2050 abzielt, gerecht zu werden. In Hinblick auf die Etablierung einer Kreislaufwirtschaft für Verbundbauteile besteht aber die Schwierigkeit, dass die Komponenten üblicherweise aus unterschiedlichsten Materialien (u.a. Polymere, Füllstoffe, Metalle) zusammengesetzt sind. Insbesondere die Reparatur, die Instandsetzung und das Recycling von Verbundmaterialien ist schwierig, da die eingesetzten Matrixpolymere (u.a. epoxy-basierte Thermosets) auf Grund ihrer Netzwerkstruktur weder gelöst, aufgeschmolzen noch umgeformt werden können. Interieur-Bauteile werden daher aus Kostengründen häufig nicht adäquat sortiert und etwa 15% der Luftfahrtbauteile, die aktuell deponiert werden, stammen von Kabinenbauteilen.
CircularEpoxy zielt daher auf die wirtschaftliche Herstellung von kreislauffähigen faserverstärkten Verbundmaterialien, die sich durch (a) eine einzigartige Möglichkeit für Instandhaltung und Recycling von Interieur-Bauteilen, (b) eine erhöhte Lebensdauer (Reparierfähigkeit),
(c) effizientere Produktionsmethoden (Wärmeumformbarkeit von Halbzeugen), (d) einen energiesparenden Vertrieb (ungekühlter Transport), (e) eine einstellbare Passgenauigkeit (für die Montage vor Ort), (f) den Verzicht auf gesundheits- und umweltbedenklichen Chemikalien (u.a. Anhydride) sowie (g) eine hohe mechanische Belastbarkeit und Brandbeständigkeit auszeichnen. Als eine neue Generation von faserverstärkten Verbundmaterialien vereinen diese Werkstoffe die Eigenschaften von klassischen Thermosets (die auf Grund ihrer kovalenten Netzwerkstruktur weder repariert, umgeformt noch wiederverwertet werden können) mit den Verarbeitungseigenschaften von Thermoplasten (bspw. Organoblechen). Die Werkstoffentwicklung in CircularEpoxy beruht auf kommerziell verfügbare Epoxidharze, die mit dynamisch austauschbaren chemischen Gruppen ausgerüstet werden. Durch eine thermische Aktivierung dieser Gruppen wird ein viskoelastisches Fließen des Materials erreicht ohne dass sich die durchschnittliche Vernetzungsdichte ändert. Die gezielte Steuerung der physikalischen Eigenschaften wird in weiterer Folge für die Montage, Produktion, Reparatur oder Wiederverwertung der Materialien (u.a. einfache Trennung von Füllstoffen und Polymermatrix) genutzt.
Hauptziele
- Entwicklung und Herstellung von epoxy-basierten faserverstärkten Verbundmaterialien, die sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:
- Verbesserte Reparierbarkeit (u.a. patch-freie Reparatur von Kratzern und Delaminationen)
- Erhöhte Kreislauffähigkeit (Wiedergewinnung der Fasern sowie der chemisch vernetzten Harzmatrix)
- Warmumformbarkeit (Fertigung von ausgehärteten Halbzeugen, die in kurzen Prozesszeiten umgeformt werden können)
- Verschweißbarkeit (Etablierung neuer Füge- und Montageverfahren)
- Hohe Kriechfestigkeit, Steifigkeit sowie Brandbeständigkeit
Ziele und Vorgangsweise
CircularEpoxy soll einen Wandel in der Herstellung von gehärteten Verbundmaterialien einleiten, da es die Herstellung von ausgehärteten duromeren Prepregs ermöglicht, die auf Grund der dynamischen Netzwerkstellen repariert und rezykliert werden können. Trotz vollständiger Aushärtung können diese neuen kreislauffähigen Prepregs analog zu Organoblechen verarbeitet (Wärmeumformbarkeit) sowie verschweißt werden, was den Weg für eine effiziente und flexible Fertigung von Verbundbauteilen bei den Endanwendern bereitet. Zudem wird eine einfachere Qualitätskontrolle ermöglicht (Kontrolle der Zwischenschritte vs. Kontrolle des fertigen Bauteils) und fehlerhafte Prepreg können einfacher ausgetauscht werden, was insgesamt die Gesamtkosten der Prozesskette reduziert.
Durch die eingebrachten dynamischen kovalenten Netzwerkstellen können die Werkstoffe nicht nur repariert, sondern chemisch rezykliert werden (ohne Einsatz von gesundheits- und umweltgefährlichen Lösungsmitteln). Die Netzwerke werden über eine Umesterung in Gegenwart von Wasserdampf oder primären Alkoholen abgebaut und so kann die Polymermatrix von den Fasern abgetrennt werden. Durch die Abbaureaktionen werden bevorzugt Carbonsäuren und Alkohole gebildet, die u.a. als neue Vernetzer in thermisch gehärteten Epoxidharzen eingesetzt werden können.
„Dynamische Polymernetzwerke sind Schlüsselmaterialien für zukünftige kreislauffähige Produkte. CircularEpoxy treibt die industrielle Anwendung dieser neuen Materialklasse in unterschiedlichen Sparten voran.“
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Fördergeber
Das Projekt (Projektnummer: 58728995) wird im Rahmen der „Kreislaufwirtschaft und Produktionstechnologien“-Ausschreibung 2024 vom Bundesministerium für Innovation, Mobilität und Infrastruktur (BMIMI) gefördert. Das Programm wird durch die FFG abgewickelt.
