Das Kunststoffabfälle problematisch sind, ist wohl den meisten Menschen bewusst. Nahezu alle Kunststoffe, die uns im Alltag begleiten, basieren auf fossilen Rohstoffen. Gelangen sie in die Umwelt, sorgen sie für Generationen für Verschmutzungen. Werden sie in einer Kehrichtverbrennungsanlage verbrannt, setzen sie klimawärmendes CO₂ in die Atmosphäre frei. Der bessere Weg ist daher das Recycling: Die ausgedienten Kunststoffe werden gesammelt und wiederverwertet; der Kreislauf schliesst sich.
Allerdings lassen sich nicht alle Kunststoffe recyceln. Was für PET bereits Standard ist, ist beispielsweise für Epoxidharz unmöglich. Denn Epoxidharz gehört zu den sogenannten Duromeren. Bei diesen Polymeren sind die langen molekularen Ketten so miteinander vernetzt, dass sie sich nach der ersten Herstellung nicht mehr einschmelzen lassen. «Wir haben heute nur zwei Möglichkeiten, Epoxidharz zu entsorgen: Verbrennung oder Mülldeponie», weiss Empa-Forscher Arvindh Sekar vom «Advanced Fibers»-Labor in St. Gallen.
Dennoch findet der widerstandsfähige Kunststoff 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 den Empa-Forschenden 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.
Die Chemie macht es möglich
Das Element, das all diese Eigenschaften ermöglicht, ist Phosphor. «Phosphor-basierte Additive sind beliebte Flammschutzmittel», sagt Sekar. «Normalerweise werden sie einfach als Pulver unter das Epoxidharz gemischt.» Die Empa-Forschenden gehen einen Schritt weiter und fügen 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 die Vernetzungen zwischen den Polymerketten im ausgehärteten Epoxid sich 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», führt Sekar aus.
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 nebst dem thermomechanischen Recycling lässt er sich auch chemisch auflösen. Dabei 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», ergänzt Sekar. Im Gegensatz zum thermomechanischen Recycling braucht das chemische Recycling jedoch viel Energie und grössere Mengen an Lösungsmitteln, ermahnt der Forscher – 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 er. Für faserverstärkte Epoxidharze besteht allerdings keine Alternative.
Bereit für die Industrie
Die Forschenden arbeiten bereits seit einigen Jahren an ihrem Epoxidharz. Mittlerweile konnten sie den Herstellungsprozess so weit verbessern, dass er industriell 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 punktet der Werkstoff zusätzlich damit, 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.